Onderzoekers hebben directe chemische dampafzetting (CVD) groei van hoogwaardig grafeen op waferschaal op diëlektrica gebruikt voor veelzijdige toepassingen. Grafeen dat op deze manier is gesynthetiseerd, heeft echter een polykristallijne film getoond met ongecontroleerde defecten, een lage dragermobiliteit en hoge straatweerstand; daarom willen onderzoekers nieuwe methoden introduceren om grafeen op waferschaal te ontwikkelen. In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd in Science Advances , Zhaolong Chen en een internationaal onderzoeksteam in nanochemie, intelligente materialen en fysica, in China, het VK en Singapore, beschreven de directe groei van hooggeoriënteerd monolaag grafeen op films van saffierwafels. Ze bereikten de groeistrategie door een elektromagnetische inductie-CVD bij verhoogde temperatuur te ontwerpen. De op deze manier ontwikkelde grafeenfilm vertoonde een duidelijk verbeterde mobiliteit van de drager en verminderde plaatweerstand.

De ontwikkeling en toepassingen van grafeen op materialen.

Grafeen heeft een goede mechanische robuustheid, een hoge dragermobiliteit, verhoogde optische transparantie en is veelbelovend voor hoogfrequente toepassingen, evenals transparante geleidende elektroden. De lineaire dispersie van de Dirac-elektronen van grafeen kan ook doelapparaten mogelijk maken, waaronder fotodetectoren en optische modulatoren. De meeste van dergelijke toepassingen zijn afhankelijk van het gebruik van monokristallijn grafeen op waferschaal zonder vervuiling of breuken. Hoewel grafeen op wafelschaal eerder gemakkelijk werd geproduceerd, is de uniformiteit van het laagnummer over de hele wafel onbevredigend gebleven. Onderzoekers probeerden daarom de directe synthese van grafeen op siliciumoxide, hexagonaal boornitride (hBN) en glas te vergemakkelijken door conventionele chemische dampafzettingstechnieken te gebruiken. In dit werk, Chen et al. presenteerde de directe groei van continue, sterk georiënteerde monolaag grafeenfilms op saffier via een op elektromagnetische inductie-verhitting gebaseerde methode van chemische dampafzetting. Deze benadering van directe groei van sterk georiënteerde grafeenfilms op saffierwafels baande de weg naar opkomende grafeenelektronica en fotonica.

De experimenten:grafeen op saffier

Tijdens de experimenten, Chen et al. gebruikte elektromagnetische inductieverwarming als de warmtebron van het chemische dampafzetting (CVD) -systeem om de groeiparameterruimte uit te breiden tijdens de groei van hoogwaardig grafeen. De reactor maakte een snelle temperatuurstijging mogelijk tot 1400 graden Celsius binnen 10 minuten. Het proces maakte een nauwkeurige regeling mogelijk van de toevoer van actieve koolstof voor de homogene groei van monolaag grafeen. Om de rol van saffier tijdens grafeenvorming te begrijpen, voerde het team dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT) -berekeningen uit om de voorkeursoriëntatie van het grafeendomein op saffier te onthullen. Om dit te bereiken, modelleerden ze de adsorptie van een klein grafeencluster (C₂₄ H₁₂ ) op een aluminiumoxide plaat. Het model toonde de mogelijkheid aan voor de groei van zeer georiënteerd grafeen op waferschaal op saffier, na een door interfacekoppeling geleid groeimechanisme. De verhoogde temperatuur tijdens de groei vergemakkelijkte voldoende pyrolyse van methaan en de efficiënte migratie van de geadsorbeerde actieve koolstof op saffier om de groeisnelheid en kristalkwaliteit te bevorderen. Een continue grafeenfilm bedekte de 2-inch saffierwafel binnen 30 minuten met hoge transparantie.

Kenmerken van de grafeenfilm op de saffierwafel

Met behulp van scanning elektronenmicroscopie (SEM), Chen et al. merkte een homogeen contrast op van het monolaag grafeen bij volledige dekking, zonder holtes. Met behulp van Raman-spectra van het op saffier geproduceerde grafeen, identificeerden ze Raman-signalen die wijzen op een hoogwaardige monolaag van grafeen en bevestigden ze de uniformiteit ervan over de wafelschaal. De resultaten van de optische microscopie toonden eveneens een uniform optisch contrast zonder enige verontreiniging of zichtbare secundaire lagen. Met behulp van atoomkrachtmicroscopie identificeerden ze vervolgens verdere kenmerken van monolaag grafeen dat is gegroeid met de CVD-methode (chemische dampafzetting). Verdere analyse met transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) toonde een hoge uniformiteit zonder verontreiniging. De experimentele opstelling maakte de groei van monolaag grafeen mogelijk in afwezigheid van grote koolstofclusters in de gasfase en de aanwezigheid van individuele koolstoffen die het oppervlak van grafeen bereikten om snel naar de rand van grafeen te migreren. Om de roosteroriëntaties van de als-gegroeide monolaag van grafeen op saffier te begrijpen, voerde het team een ​​laagenergetische elektronendiffractiekarakterisering uit en onthulde de sterk georiënteerde aard van het grafeen ter grootte van een wafeltje. Om de structurele informatie van het materiaal verder te verifiëren, voerden ze geselecteerde gebiedselektronendiffractiemetingen uit en merkten ook de honingraatroosterarchitectuur van grafeen op met behulp van atomair opgeloste TEM-afbeeldingen. Door de experimentele opstelling konden de kernen de meest stabiele oriëntatie bereiken.

Verdere experimenten

Chen et al. vervolgens uitgevoerde scanning tunneling microscopie (STM) om de hechtingsstatus van de grafeendomeinen te onderzoeken. Het STM-beeld onthulde ook een honingraatrooster, uitgelijnd zonder enige defecten. Het atomair opgeloste beeld benadrukte verder de aanwezigheid van een continue film met een kleine korrelgrens. Het werk bevestigde ook de succesvolle beklimming van saffiertrappen veroorzaakt door thermische koolstofreductie van saffier. De V-vormige dichtheidstoestanden naast het karakteristieke Dirac-kegelachtige kenmerk van enkellaags grafeen kwamen overeen met de honingraatarchitectuur om de hoge kwaliteit en zuiverheid van de sterk georiënteerde film van aldus gegroeid grafeen te herstellen. De wetenschappers voerden vervolgens macroscopische vier sondetransportmetingen uit om de grootschalige elektrische geleidbaarheid van als gegroeid hoogwaardig grafeen op saffierwafels te beoordelen. Ze noteerden een bladweerstandskaart van een 2-inch grafeen / saffierwafel, met een gemiddelde waarde van slechts 587 ± 40 ohm. Het resultaat was duidelijk superieur in vergelijking met die voor grafeen dat direct op glassubstraten werd gekweekt. Het team heeft vervolgens de veldeffectmobiliteit van grafeen op saffier gemeten en de dragerdichtheid vastgelegd. De waarden waren ook aanzienlijk hoger dan die waargenomen met grafeen dat direct op diëlektrische substraten en metalen is gegroeid. De resultaten zijn veelbelovend in elektronische en opto-elektronische toepassingen.

Vooruitzichten

Op deze manier ontwikkelden Zhaolong Chen en collega's een methode voor de directe groei van wafer-schaal, continue, sterk georiënteerde monolaag grafeenfilm op saffier met behulp van een elektromagnetische inductieverwarming CVD-route. De synthetische methode maakte een snelle temperatuurstijging tot 1400 Celsius mogelijk binnen 10 minuten voor efficiënte pyrolyse van koolstofgrondstof om de snelle migratie van actieve soorten mogelijk te maken. Deze efficiënte en betrouwbare synthetische route van hoogwaardig monolaag grafeen op saffierwafel was compatibel met halfgeleiderprocessen en kan uiteindelijk hoogwaardige grafeenelektronica en industrialisatie bevorderen. + Verder verkennen

Ultragrote eenkristal WS2 monolaag

© 2021 Science X Network