Sci. Adv.：北京大学刘忠范院士团队介电材料上直接生长晶圆尺寸准单晶石墨烯薄膜

原因在于绝缘衬底催化活性较弱，碳源前驱体在其表面的的裂解势垒与迁移势垒很高，且石墨烯在绝缘衬底表面难以实现取向一致。这使得石墨烯在绝缘衬底上的生长速度非常缓慢，且获得的石墨烯具有很高的点缺陷密度、大量的晶界和无定型碳污染，严重降低石墨烯载流子迁移率和电导率。因此，如何在绝缘衬底上快速生长出取向一致的石墨烯，并增大单个晶畴尺寸，在晶圆尺寸内形成连续均匀的单层薄膜亟待解决。

第一作者：陈召龙

通讯作者：刘忠范，孙靖宇，Kostya S. Novoselov，高鹏，张艳锋，杨身元

通讯单位:  北京大学，北京石墨烯研究院，新加坡国立大学，中国科学院半导体研究所

图文导读

图1｜蓝宝石(0001)面对石墨烯的取向诱导作用机制。A.感应加热石墨烯甚高温生长设备示意图；B, C.反应腔室温度模拟分布；D.石墨烯纳米岛在Al2O3 (0001) 面上的最优构象；E.不同旋转角度下石墨烯纳米岛与Al2O3 (0001)的相对能量。

图2｜蓝宝石基底上温度依赖生长的石墨烯拉曼光谱

温度依赖拉曼光谱分析设备：WITec alpha300R 显微拉曼光谱仪

图3｜晶圆尺寸单层石墨烯的表征。A. 石墨烯/蓝宝石晶圆的实物照片；B. 石墨烯薄膜的典型 SEM 图像；C. 石墨烯薄膜的拉曼光谱；D. 石墨烯薄膜的拉曼 I2D/IG mapping图；E. 石墨烯在转移到 SiO2/Si 衬底上的光学显微镜图；F. 转移到 SiO2/Si 衬底上石墨烯的原子力显微镜高度图；G. 石墨烯/蓝宝石界面的透射电子显微镜图。

拉曼光谱及成像分析设备：WITec alpha300R 显微拉曼成像光谱仪

图4｜晶圆尺寸单层石墨烯的取向表征。(A-D) 石墨烯/蓝宝石的低能电子衍射图案；(E-H) 石墨烯薄膜的透射电镜表征；(I-L) 石墨烯/蓝宝石扫描隧道显微镜图与扫描隧道谱。

图5｜该方法获得的石墨烯薄膜的电学表征。A. 2 英寸石墨烯/蓝宝石晶圆的方块电阻图；B. 本工作中直接生长石墨烯的薄层电阻与与文献报道生长结果的比较；C. 石墨烯输运特性曲线；D. 太赫兹时域光谱技术的迁移率测量。

研究团队通过优化生长过程，使得在动力学和热力学方面都有利于绝缘衬底上高质量石墨烯的生长，研发的石墨烯生长设备所提供的甚高温生长环境克服了碳源较高的热裂解势垒和迁移势垒，保证了碳源的有效裂解和活性碳物种在表面的快速迁移；高温还有助于石墨烯-Al2O3 (0001) 界面达到其最低能量构象，以实现石墨烯岛的取向一致；与此同时特殊的冷壁设计，降低了气相温度，抑制了形成无定型碳和多层成核的副反应。因此，在 30 分钟内就可以获得晶圆级高质量单层石墨烯，它具有较高的载流子迁移率和较低的面电阻。