河北
高品质石墨烯单晶晶圆制备与集成是石墨烯光电器件应用的重要前提。目前超平整、大单晶、无褶皱石墨烯晶圆已经成功在金属衬底表面制备。然而如何实现高质量、大面积的转移与精准表界面调控是影响石墨烯器件性能的关键。
针对这一科学问题，北京大学刘忠范院士、张艳锋教授、林立研究员团队近期在《Nature Electronics》发表最新研究成果，为解决这一难题提供了新的方案。研究团队通过在石墨烯晶圆表面外延生长单晶氧化锑（Sb₂O₃）介电薄膜，结合“介电层辅助转移技术”，成功实现了4英寸石墨烯晶圆的高完整度转移与高性能器件阵列的构筑。该技术不仅保留了石墨烯的本征电子特性，同时Sb₂O₃薄膜也表现出优异的介电性能。
在传统转移工艺中，石墨烯转移通常依赖聚合物支撑层，但这种方法很容易在转移过程中引入石墨烯结构损伤和表界面污染，进而导致转移后石墨烯器件性能下降。并且在石墨烯电子器件的实际应用中，为了确保器件的长期工作稳定工作，通常需要集成封装材料如六方氮化硼等。研究团队利用Cu(111)/石墨烯作为外延模板，基于晶格匹配实现了高质量单晶Sb₂O₃栅介质层的外延生长，并利用石墨烯作为缓冲层，通过较弱的范德华作用力，实现外延层与外延衬底的解耦，确保Sb₂O₃层无损剥离。另一方面，外延制备的Sb₂O₃能够与石墨烯形成良好的范德华接触，进而作为转移辅助介质，辅助石墨烯剥离转移。基于此，研究团队实现了4英寸石墨烯晶圆向目标衬底（Si/SiO₂衬底）的无损转移。
经表征，4英寸石墨烯晶圆的转移完整度高达98%。在转移过程中，Sb₂O₃层的封装保护作用有效防止了聚合物残留对石墨烯器件性能的影响。石墨烯拉曼光谱中2D峰的半高宽约为23 cm⁻¹。经过Sb₂O₃转移和封装处理的石墨烯，石墨烯晶圆载流子迁移率最高可达29,000 cm² V⁻¹ s⁻¹，平均值约为14,000 cm² V⁻¹ s⁻¹。由于Sb₂O₃具有良好的封装效果，可以有效避免了环境中水分、氧气等吸附物对石墨烯器件性能的影响，即便在空气中暴露长达半年后，石墨烯器件的性能波动仍小于10%。
图1 石墨烯晶圆表面单晶Sb₂O₃薄膜的制备。
图2 介电层辅助的4英寸石墨烯晶圆转移。
图3 利用介电层封装、转移的石墨烯薄膜的电学性能。
研究团队通过采用外延生长制备了单晶、超薄Sb₂O₃薄膜，同时，以Sb₂O₃作为转移辅助介质，实现了石墨烯的无损转移和高性能器件构筑，显著提高了载流子迁移率和器件均匀性，同时增强了器件在环境中长时间工作的稳定性，此工作为石墨烯在高性能电子器件中的实际应用提供了坚实的基础。
课题组在该研究工作中，北京大学刘忠范院士、张艳锋教授、林立研究员为论文共同通讯作者；国家纳米科学中心裘晓辉研究员、北京大学彭海琳教授、尹建波研究员、赵晓续研究员、谢芹工程师，北京石墨烯研究院贾开诚研究员、胡兆宁研究员等为重要合作者。
该工作得到国家自然科学基金、国家重大科学研究计划、科技部重点研发计划、北京分子科学国家研究中心等机构和项目资助，并得到了北京石墨烯研究院、北京大学化学与分子工程学院的分子材料与纳米加工实验室（MMNL）仪器平台、北京大学材料加工与测试中心的支持。
来源：北京石墨烯研究院
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