单晶硅表面无金属催化CVD生长石墨烯

内容简介

在单晶硅(最常见的半导体材料)表面无金属催化直接生长石墨烯在诸多技术领域有着重要的应用前景。然而单晶硅没有催化活性且高温下表面不稳定,目前在单晶硅表面直接生长制备高质量石墨烯仍是一项技术难题。

中科院上海应用物理研究所李晓龙等人首次报道了在倒置的单晶硅片基体上无金属催化化学气相沉积(CVD)直接生长石墨烯。通过控制生长温度、石墨烯面内、边缘、和中心扩散生长方式,有效实现石墨烯在硅片表面的可控制备。这种方法能制备平直的单层或双层石墨烯、凹陷的双层石墨烯片、以及凸起的少层石墨烯片。

这项研究对实现单晶硅表面大面积、高质量、层数可控制备石墨烯方面具有重要指导作用。

图文导读

▶ 图1 无金属化学气相沉积合成方法的设计和910℃下硅基上区域生长的石墨烯表征。a) 石墨烯区域生长在硅表面的示意图。为了在生长过程中捕集更多的甲烷分子而颠倒基底,该生长过程发生在基底的正面。b) 典型高倍放大原子力显微镜(AFM)高度图像。c)曲线 I, II是图1b. 对应的AFM高度图像。d) 对应的AFM相图。e) 硅基(100)表面生长的石墨烯的拉曼光谱。

▶ 图2 a,b) 硅片表面石墨烯晶粒的高分辨SEM图;硅片表面石墨烯的 c) AFM形貌图和 d) 对应相图。

▶ 图3  石墨烯的成核现象和在硅100面的生长情况研究。a—f) 直接生长在硅基(100)上的石墨烯区域的AFM高度图,生长时间为1 h,温度分别为: a) 900℃, b) 905℃, c) 915℃, d) 920℃, e) 925℃和 f) 930℃。最下面一行是图中相应黑色线条的高度曲线。箭头表示相应两点的不同高度。淡蓝色、蓝色和红色圆圈分别对应平面、凹面和凸面石墨烯区域。扫描尺寸为2 μm。g,h) 分别在900℃和930℃下对应的AFM相图。用平均晶粒数和最大晶粒尺寸作为生长温度的函数。

▶ 图4 直接生长在硅基表面石墨烯的光谱特性。a) 生长的石墨烯的C 1s XPS能谱图。b) 分别在 900℃, 905℃, 915℃,920℃, 925℃和930℃下生长的石墨烯的Si 2p XPS能谱图。c) 在不同生长温度下石墨烯的代表性拉曼光谱。d) 用ID/IG(红色)和I2D/I2G(蓝色)作为生长温度的函数。

▶ 图5 通过无金属常压催化化学气相沉积法合成石墨烯的的直接成核示意图和其在硅基上的生长过程示意图。a) 甲醇降解和超饱和活性炭锚定在硅表面示意图。这促进了石墨烯直接成核。b) 碳原子通过沉积在稳定的原子核边缘从而在平面内生长,以及小的平面单层或双层石墨烯区域形成过程。c) 边缘生长过程:双层石墨烯沉积在单层石墨烯的活性边缘,形成更大的凹陷石墨烯。d) 核生长过程:更多的石墨烯层在凹陷的石墨烯中心成核。

文章信息

文章发表于 Nano-Micro Letters 期刊 2018 年第 10 卷第 2 期,详情请阅读全文,可免费下载。本文在期刊微信 (nanomicroletters)、微博 (纳微快报NML)、科学网博客、Facebook、Twitter等媒体推出,请多关注。以往微信推文可参看网站(http://nmsci.cn)

文章题目:Direct Growth of Graphene onSilicon by Metal-Free Chemical Vapor Deposition

引用信息:Tai,L., Zhu, D., Liu, X. et al. Nano-Micro Lett. (2018) 10: 20.

https://doi.org/10.1007/s40820-017-0173-1

关键词:石墨烯,硅,无金属CVD,区域生长

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通讯作者简介

个人简历
  • 中科院上海应用物理研究所研究员

  • 中国物理学会X射线衍射专业委员会委员

  • 现任职于上海光源衍射线站

主要研究领域

  • 同步辐射衍射技术与实验方法
  • 铁电薄膜的微结构与物性研究

联系方式

  • 电话:021-33933215
  • 电子邮箱:lixiaolong@sinap.ac.cn
  • 主页:http://www.sinap.ac.cn/TeacherIntroDetail.aspx?id=e16c05e7-642e-452f-a8a2-2fdb087d94c7

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