Forskare har använt direkt kemisk ångdeposition (CVD) tillväxt av högkvalitativ grafen i wafer-skala på dielektrikum för mångsidiga tillämpningar. Emellertid har grafen syntetiserat på detta sätt visat en polykristallin film med okontrollerade defekter, låg bärarrörlighet och högt gatumotstånd; därför siktar forskare på att introducera nya metoder för att utveckla grafen i wafer-skala. I en ny rapport som nu publicerats i Science Advances , Zhaolong Chen och ett internationellt forskarlag inom nanokemi, intelligenta material och fysik, i Kina, Storbritannien och Singapore, beskrev den direkta tillväxten av högorienterad monolagergrafen på filmer av safirskivor. De uppnådde tillväxtstrategin genom att designa en elektromagnetisk induktions-CVD vid förhöjd temperatur. Grafenfilmen som utvecklats på detta sätt visade en markant förbättrad bärarrörlighet och minskat arkmotstånd.

Utvecklingen och tillämpningen av grafen på material.

Grafen har en god mekanisk robusthet, en hög bärarmobilitet, ökad optisk transparens och lovar högfrekventa applikationer, såväl som transparenta ledande elektroder. Den linjära spridningen av Dirac-elektronerna av grafen kan också tillåta målenheter inklusive fotodetektorer och optiska modulatorer. De flesta sådana applikationer förlitar sig på användningen av enkristallgrafen i wafer-skala utan kontaminering eller brott. Medan grafen med hög rörlighet i wafer-skala lätt producerades tidigare, har skiktnummerlikformigheten förblivit otillfredsställande över hela wafern. Forskare försökte därför underlätta den direkta syntesen av grafen på kiseloxid, hexagonal bornitrid (hBN) och glas genom att använda konventionella kemiska ångavsättningstekniker. I detta arbete har Chen et al. presenterade den direkta tillväxten av kontinuerliga, mycket orienterade monolagergrafenfilmer på safir via en elektromagnetisk induktionsuppvärmningsbaserad metod för kemisk ångavsättning. Detta tillvägagångssätt med direkt tillväxt av högorienterade grafenfilmer på safirskivor banade vägen mot framväxande grafenelektronik och fotonik.

Experimenten:Grafen på safir

Under experimenten, Chen et al. använde elektromagnetisk induktionsuppvärmning som värmekälla för det kemiska ångavsättningssystemet (CVD) för att utöka tillväxtparameterutrymmet under tillväxten av högkvalitativt grafen. Reaktorn möjliggjorde snabb temperaturrampning till 1400 grader Celsius inom 10 minuter. Processen möjliggjorde exakt reglering av tillgången på aktivt kol för den homogena tillväxten av enskiktsgrafen. För att förstå safirens roll under grafenbildningen genomförde teamet densitetsfunktionsteori (DFT) beräkningar för att avslöja den föredragna orienteringen av grafendomänen på safir. För att åstadkomma detta modellerade de adsorptionen av ett litet grafenkluster (C₂₄ H₁₂ ) på en aluminiumoxidplatta. Modellen visade möjligheten för tillväxt av högorienterad grafen i wafer-skala på safir, efter en gränssnittskopplingsstyrd tillväxtmekanism. Den förhöjda temperaturen under tillväxten underlättade tillräcklig pyrolys av metan och effektiv migration av det adsorberade aktiva kolet på safir för att främja tillväxthastigheten och kristallkvaliteten. En kontinuerlig grafenfilm täckte den 2-tums safirskivan inom 30 minuter med hög transparens.

Karakteriserar grafenfilmen på safirskivan

Genom att använda svepelektronmikroskopi (SEM), Chen et al. noterade en homogen kontrast av monoskiktet grafen vid full täckning, utan några tomrum. Med hjälp av Raman-spektra av grafenen producerad på safir, identifierade de Raman-signaler som indikerar ett högkvalitativt monolager av grafen och bekräftade dess enhetlighet över waferskalan. De optiska mikroskopiresultaten visade på liknande sätt en enhetlig optisk kontrast utan någon kontaminering eller synliga sekundära skikt. Med hjälp av atomkraftsmikroskopi identifierade de sedan ytterligare egenskaper hos monolagergrafen som odlats med CVD-metoden (kemisk ångavsättning). Ytterligare analys med transmissionselektronmikroskopi (TEM) visade hög enhetlighet utan kontaminering. Den experimentella uppställningen möjliggjorde tillväxten av enskiktsgrafen i frånvaro av stora kolkluster i gasfasen och närvaron av individuella kol som nådde ytan av grafen för att snabbt migrera till kanten av grafen. För att förstå gitterorienteringarna för det växande monoskiktet av grafen på safir, utförde teamet lågenergielektrondiffraktionskarakterisering och avslöjade den mycket orienterade naturen hos grafen i waferstorlek. För att ytterligare verifiera strukturell information om materialet genomförde de utvalda elektrondiffraktionsmätningar och noterade också grafenets bikakegitterarkitektur med hjälp av atomiskt upplösta TEM-bilder. Den experimentella uppställningen gjorde det möjligt för kärnorna att nå den mest stabila orienteringen.

Ytterligare experiment

Chen et al. genomförde sedan scanning tunneling microscopy (STM) för att undersöka sammanfogningen av grafendomänerna. STM-bilden avslöjade också ett bikakegaller, inriktat utan några defekter. Den atomiskt upplösta bilden framhävde ytterligare närvaron av en kontinuerlig film med en liten korngräns. Arbetet bekräftade också den framgångsrika klättringen av safirtrappor orsakade av koltermisk reduktion av safir. De V-formade densitetstillstånden tillsammans med den karakteristiska Dirac-konliknande egenskapen hos enskiktsgrafen överensstämde med bikakearkitekturen för att återupprätta den höga kvaliteten och renheten hos den mycket orienterade filmen av sålunda odlad grafen. Forskarna utförde därefter makroskopiska mätningar av fyra sondtransporter för att bedöma den storskaliga elektriska ledningsförmågan hos högkvalitativt grafen som växt på safirskivor. De noterade en arkresistanskarta av en 2-tums grafen/safirskiva, med ett medelvärde så lågt som 587 ± 40 ohm. Resultatet var markant överlägset jämfört med de för grafen direkt odlad på glassubstrat. Teamet mätte sedan fälteffektrörligheten för grafen på safir och registrerade dess bärardensitet. Värdena var också markant högre än de som observerades med grafen direkt odlad på dielektriska substrat och metaller. Resultaten är lovande inom elektroniska och optoelektroniska tillämpningar.

Outlook

På detta sätt utvecklade Zhaolong Chen och kollegor en metod för direkt tillväxt av oblatskalig, kontinuerlig, högorienterad monolagergrafenfilm på safir med hjälp av en elektromagnetisk induktionsuppvärmningsväg CVD. Den syntetiska metoden underlättade snabb temperaturökning upp till 1400 Celsius inom 10 minuter för effektiv pyrolys av kolråvara för att möjliggöra snabb migrering av aktiva arter. Denna effektiva och tillförlitliga syntetiska väg av högkvalitativt monolager grafen på safirskiva var kompatibel med halvledarprocesser och kan i slutändan främja högpresterande grafenelektronik och industrialisering. + Utforska vidare

Ultrastort enkristall WS2 monolager

© 2021 Science X Network