Udvikling af højorienteret grafen i wafer-skala på safir

Forskere har brugt direkte kemisk dampaflejring (CVD) vækst af wafer-skala, højkvalitets grafen på dielektrikum til alsidige applikationer. Imidlertid har grafen syntetiseret på denne måde vist en polykrystallinsk film med ukontrollerede defekter, en lav bærermobilitet og høj gademodstand; derfor sigter forskerne på at introducere nye metoder til at udvikle grafen i wafer-skala. I en ny rapport, der nu er offentliggjort i Science Advances , Zhaolong Chen og et internationalt forskerhold i nanokemi, intelligente materialer og fysik, i Kina, Storbritannien og Singapore, beskrev den direkte vækst af højt orienteret monolagsgrafen på film af safirskiver. De opnåede vækststrategien ved at designe en elektromagnetisk induktions-CVD ved forhøjet temperatur. Grafenfilmen udviklet på denne måde viste en markant forbedret bærermobilitet og reduceret arkmodstand.

Udviklingen og anvendelsen af ​​grafen på materialer.

Grafen har en god mekanisk robusthed, en høj bærermobilitet, øget optisk transparens og lover højfrekvente applikationer såvel som transparente ledende elektroder. Den lineære spredning af Dirac-elektronerne af grafen kan også tillade målenheder, herunder fotodetektorer og optiske modulatorer. De fleste sådanne applikationer er afhængige af brugen af ​​enkelt-krystal, wafer-skala grafen uden forurening eller brud. Mens wafer-skala, højmobilitetsgrafen let blev produceret før, har lagnummerets ensartethed forblevet utilfredsstillende på tværs af hele waferen. Forskere søgte derfor at lette den direkte syntese af grafen på siliciumoxid, hexagonal bornitrid (hBN) og glas ved at bruge konventionelle kemiske dampaflejringsteknikker. I dette arbejde har Chen et al. præsenterede den direkte vækst af wafer-skala kontinuerlige, meget orienterede monolags grafenfilm på safir via en elektromagnetisk induktionsvarmebaseret metode til kemisk dampaflejring. Denne tilgang med direkte vækst af højt orienterede grafenfilm på safirskiver banede vejen mod fremvoksende grafenelektronik og fotonik.

Eksperimenterne:Grafen på safir

Under eksperimenterne har Chen et al. brugte elektromagnetisk induktionsopvarmning som varmekilde for det kemiske dampaflejringssystem (CVD) for at udvide vækstparameterrummet under væksten af ​​grafen af ​​høj kvalitet. Reaktoren muliggjorde hurtig temperaturstigning til 1400 grader Celsius inden for 10 minutter. Processen tillod præcis regulering af forsyningen af ​​aktivt kul til den homogene vækst af monolagsgrafen. For at forstå safirens rolle under grafendannelsen udførte holdet density functional theory (DFT) beregninger for at afsløre den foretrukne orientering af grafendomænet på safir. For at opnå dette modellerede de adsorptionen af ​​en lille grafenklynge (C₂₄ H₁₂ ) på en aluminiumoxidplade. Modellen viste muligheden for vækst af højorienteret grafen i wafer-skala på safir efter en grænsefladekoblingsstyret vækstmekanisme. Den forhøjede temperatur under væksten lettede tilstrækkelig pyrolyse af metan og den effektive migration af det adsorberede aktive kul på safir for at fremme væksthastigheden og krystalkvaliteten. En kontinuerlig grafenfilm dækkede den 2-tommers safirwafer inden for 30 minutter med høj gennemsigtighed.

Karakterisering af grafenfilmen på safirwaferen

Ved hjælp af scanningselektronmikroskopi (SEM), Chen et al. bemærkede en homogen kontrast af monolagsgrafen ved fuld dækning uden hulrum. Ved at bruge Raman-spektre af grafen produceret på safir identificerede de Raman-signaler, der indikerer et højkvalitets monolag af grafen og bekræftede dets ensartethed på tværs af wafer-skalaen. De optiske mikroskopiresultater viste ligeledes en ensartet optisk kontrast uden nogen forurening eller synlige sekundære lag. Ved hjælp af atomkraftmikroskopi identificerede de derefter yderligere karakteristika ved monolagsgrafen dyrket ved CVD-metoden (kemisk dampaflejring). Yderligere analyse med transmissionselektronmikroskopi (TEM) viste høj ensartethed uden kontaminering. Den eksperimentelle opsætning tillod væksten af ​​monolagsgrafen i fravær af store kulstofklynger i gasfasen og tilstedeværelsen af ​​individuelle kulstoffer, der nåede overfladen af ​​grafen, for hurtigt at migrere til kanten af ​​grafen. For at forstå gitterorienteringerne af det voksende monolag af grafen på safir, udførte holdet lavenergi elektrondiffraktionskarakterisering og afslørede den meget orienterede natur af wafer-størrelse grafen. For yderligere at verificere strukturelle oplysninger om materialet, udførte de udvalgte arealelektron-diffraktionsmålinger og noterede også graphens honeycomb-gitterarkitektur ved hjælp af atomisk opløste TEM-billeder. Den eksperimentelle opsætning gjorde det muligt for kernerne at nå den mest stabile orientering.

Yderligere eksperimenter

Chen et al. Dernæst udførte scanning tunneling mikroskopi (STM) for at undersøge syningstilstanden af ​​grafendomænerne. STM-billedet afslørede også et honeycomb-gitter, justeret uden nogen defekter. Det atomisk opløste billede fremhævede yderligere tilstedeværelsen af ​​en kontinuerlig film med en lille korngrænse. Arbejdet bekræftede også den vellykkede klatring af safirtrin forårsaget af kulstof termisk reduktion af safir. De V-formede tæthedstilstande sideløbende med den karakteristiske Dirac-keglelignende egenskab af enkeltlagsgrafen, stemmer overens med honeycomb-arkitekturen for at genetablere den høje kvalitet og renhed af den meget orienterede film af således dyrket grafen. Forskerne udførte derefter makroskopiske fire sondetransportmålinger for at vurdere den elektriske ledningsevne i stor skala af højkvalitetsgrafen, der vokser, på safirskiver. De noterede et arkmodstandskort af en 2-tommers grafen/safirwafer med en gennemsnitsværdi så lav som 587 ± 40 ohm. Resultatet var markant overlegent sammenlignet med resultaterne for grafen direkte dyrket på glassubstrater. Holdet målte derefter felteffektmobiliteten af ​​grafen på safir og registrerede dens bærertæthed. Værdierne var også markant højere end dem, der blev observeret med grafen direkte dyrket på dielektriske substrater og metaller. Resultaterne lover i elektroniske og optoelektroniske applikationer.

Outlook

På denne måde udviklede Zhaolong Chen og kolleger en metode til direkte vækst af wafer-skala, kontinuerlig, højt orienteret monolags grafenfilm på safir ved hjælp af en elektromagnetisk induktionsopvarmning CVD-rute. Den syntetiske metode muliggjorde hurtig temperaturstigning op til 1400 Celsius inden for 10 minutter for effektiv pyrolyse af kulstofråmateriale for at muliggøre hurtig migrering af aktive arter. Denne effektive og pålidelige syntetiske rute af højkvalitets monolagsgrafen på safirwafer var kompatibel med halvlederprocesser og kan i sidste ende fremme højtydende grafenelektronik og industrialisering. + Udforsk yderligere

Ultra-stort enkeltkrystal WS2 monolag

© 2021 Science X Network