重磅NM｜蓝宝石衬底上合成了晶圆级超平坦单晶石墨烯

通信作者：Bo Tian，Xixiang Zhang

通信单位：阿卜杜拉国王科技大学

文章DOI：10.1038/s41563-021-01174-1

文章简介

本文展示了在蓝宝石衬底上无层超平坦单晶石墨烯的晶圆级合成。通过退火将放置在Al₂O₃（0001）上的多晶Cu箔转化为单晶Cu（111）膜，然后通过多循环等离子体蚀刻辅助化学气相沉积，在Cu（111）和Al₂O₃（0001）界面处实现了石墨烯的外延生长。浸入液氮中，然后快速加热，使Cu（111）薄膜容易凸起和剥落，而石墨烯薄膜保留在蓝宝石衬底上而不会降解。在生长的石墨烯上制造的场效应晶体管表现出良好的电子传输性能和高载流子迁移率。这项工作打破了在绝缘衬底上合成晶圆级单晶单层石墨烯的瓶颈，并可能有助于下一代基于石墨烯的纳米器件。

图文速览

图1 在Al₂O₃（0001）上形成的晶圆级单晶Cu（111）薄膜

图1a：Al₂O₃（0001）表面Cu（110）、Cu（100）和Cu（111）晶体的能量图。

图1b：在Al₂O₃（0001）上从商用多晶Cu箔到单晶Cu（111）薄膜的转化过程示意图。

图1c：铜箔（10×10 mm2）在不同时间（5-25小时）退火的照片。每个样品的最大 Cu 晶粒由虚线轮廓表示。还显示了通过测量每个退火时间的十个样品获得的相应的Cu晶粒尺寸分布。比例尺，2 mm。

图1d：5厘米（2英寸）单晶Cu（111）胶片的光学显微照片。样品区域分为九个部分，以进行进一步的表征。比例尺，10 mm。

图1e：图1d中九个区域的电子反向散射衍射反极图图。比例尺，20 μm。

图1f：图1d中标记的区域的XRD模式。由于Cu（111）薄膜的超高结晶度，在放大图像（右）中观察到Cu（111）Kα-1和Kα-2峰的明显峰分裂。a.u., 任意单位。

图1g：Cu（111）–Al₂O₃（0001） 界面的横截面 HR–TEM 图像。Cu（111）和Al₂O₃（0001）之间的界面宽度是根据沿洋红色和蓝色线的强度分布确定的。比例尺，2纳米。

图2 Cu（111）–Al₂O₃（0001）界面上单晶石墨烯的生长

图2a：在MPE-CVD过程中生长的石墨烯示意图。

图2b：Al₂O₃上石墨烯块的光学显微照片（0001）。这些对齐的六边形岛屿的方向由虚线指示。比例尺，10 μm。

图2c：图2b中石墨烯块的ID/IG比值的拉曼图。

图2d：2D FWHM拉曼图的石墨烯块在图2b所示区域。c 和 d 中的比例尺，20 μm。

图2e：石墨烯在Al₂O₃（红色）上、石墨烯在Cu膜上表面生长而不转移后去除Cu荧光（黑色）、石墨烯在Cu（111）膜的上表面生长，然后转移到Al₂O₃（0001）（蓝色）、和300 nm SiO2 / Si晶圆（绿色）的代表性拉曼光谱。

图2f：图2e中提到的四种石墨烯的2D峰蓝移。转移到SiO2 / Si基上的石墨烯的2D峰位被认为是参考。

图2g：2D峰FWHM和I_2D/ I_G比率为图2e中提到的每种类型石墨烯的20个样品。波长为532 nm的拉曼激光器用于Al₂O₃和SiO2/Si衬底，488 nm波长用于Cu衬底。

图3 晶圆级单晶石墨烯薄膜在Al₂O₃（0001）上的合成

图3a：不含石墨烯（左）和生长时石墨烯（右）的Al₂O₃（0001）晶圆350-800 nm波长范围内的照片和紫外-可见透射率光谱（右）。

图3b：从10000个点（100个×100个阵列）收集的I_2D/I_G强度比（青色）和2D峰值FWHM（洋红色）的拉曼信号，step length为300μm（左）;石墨烯的表面粗糙度直接生长在Al₂O₃上，石墨烯生长在Cu（111）薄膜的上表面，并通过AFM测量的400像素（20×20阵列）（右）测量的Al₂O₃。

图3c：直接生长在Al₂O₃（0001）上的石墨烯的2D峰FWHM的光学图像（左）和拉曼图（右）。

图3d：石墨烯在Cu（111）上的2D峰FWHM的光学图像（左）和拉曼图（右），然后转移到SiO2 / Si衬底上。皱纹由箭头表示。比例尺在c和d中，10 μm。

图3e：在Al₂O₃（0001）上生长的石墨烯的扫描电镜图像。

图3f：石墨烯生长在Cu（111）上表面并转移到SiO2 / Si的SEM图像，图3e和3f：10μm（左）和2μm（右）的比例条。

图3g：直接生长在Al₂O₃（0001）（左）和转移的SiO2/Si基石墨烯（右）上的石墨烯的AFM图像。沿标记线的高度剖面图绘制在底部插图中。比例尺，1 μm。

图3h：直接生长的石墨烯的HR-TEM图像。在直径为3 mm的TEM网格上，从选定区域电子衍射图在不同位置测量的石墨烯取向角的分布。比例尺，1 纳米。

图4 DFT模拟和碳扩散模型

图4a：弛豫后Cu在Al₂O₃（0001）上的原子结构。<0001>方向的俯视图和<11-20>方向的侧视图。Cu，Al和O原子分别以金色，蓝色和红色显示。

图4b：Cu（100）、Cu（110）和Cu（111）在Al₂O₃（0001）上的堆叠能。

图4c：碳通过Cu（111）薄膜扩散并形成Cu-C合金的示意图。

图4d：Cu（111）与Al₂O₃（0001）之间石墨烯对Cu（111）、Al₂O₃（0001）上的石墨烯和石墨烯的原子结构和碳结合能.

图4e：Cu（111）、石墨烯和Al₂O₃（0001）形成的三明治结构示意图，层间呈现出60°扭转角的摩尔纹超晶格图案。

图5 GFeTs的电子传输特性

图5a：预制GFET的示意图。插图显示了横截面视图和测量电路。石墨烯由灰碳原子表示。

图5b：由Al₂O₃（0001）基底生长的石墨烯，具有光滑区域，皱纹和层状的Cu基底生长石墨烯图案的GFET（通道长度L= 100μm）的代表性光学图像。皱纹和褶皱用箭头标记。比例尺，20 μm。

图5c：来自Al₂O₃（0001）基石墨烯的制备GFET的典型ISD与VG-VD曲线。Rtot与VG–VD的拟合显示在插图中。显示的移动性值是从100个"相同"（高度相似）的设备中得出的平均值。

图5d：每种类型的GFET的100个器件的电子和空穴迁移率的平均值。

潜在应用

这种在界面上生长的新方法可以形成晶圆级单晶双层石墨烯或其他单晶2D材料的后续生长，例如在Al₂O₃（0001）上石墨烯表面外延生长h-BN片或单晶MoS2。