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化學所在絕緣基底上可控制備單層石墨烯薄膜方面取得新進展
2019-08-26 | 编辑:liu | 【 】【打印】【關閉

化學氣相沈積(CVD)是生長大面積高質量石墨烯的有效方法之一。在石墨烯的CVD生長過程中,需要使用金屬催化劑,石墨烯需要轉移才能構築電學器件,與當前的半導體加工工藝不兼容,同時轉移會造成石墨烯的褶皺、破損和降低其電學性能。如能在絕緣襯底上實現石墨烯的無金屬催化生長,那就不需要轉移可直接構築電學器件。但是,不同于多數金屬基底上的自限制生長方式,石墨烯在絕緣基底上的CVD生長常常會伴隨有生長速度慢與重複成核等缺點,因而會形成均勻性差並具有不確定層數的石墨烯膜。因此,在絕緣基底上直接制備大面積均勻單層石墨烯薄膜,對其實現與半導體行業對接簣D铀偈墨烯工業化應用進程具有深遠影響。

在国家自然科学基金委和中國科學院先导项目的支持下,中國科學院化学研究所有機固體院重點實驗室于贵课题组长期致力于CVD可控制備石墨烯研究,並取得了系列進展(Adv. Mater. 2015, 27, 2821-2837; Adv. Mater. 2015, 27, 4195-4199; Adv. Mater. 2016, 28, 4956-4975; Adv. Mater. Interfaces 2016, 3, 1600347; J. Mater. Chem. C 2016, 4, 7464-7471; Mater. Horiz. 2016, 3, 568; Chem. Mater. 2017, 29, 1022-1027; Nat. Commun. 2017, 8, 14029; Carbon 2017, 121, 1-9; Adv. Mater. Interfaces 2018, 5, 1800347; Angew. Chem. Int. Ed.  2018, 57, 192-197; Mater. Horiz. 2018, 5, 1021-1034; Chem. Mater. 201931, 1231; Adv. Mater. Technol. 2019, 4, 1800572; Diamond Relat. Mater2019, 91, 112-118; Small Methods 201931, 2507)。

近日,研究人員采用了一種新的前驅體調控策略成功地抑制了石墨烯的二次成核,從而在絕緣基底上直接生長出大面積高質量的均勻單層石墨烯薄膜。通過對石墨烯生長機理的研究得知,二氧化矽襯底表面的羟基化弱化了石墨烯邊緣與襯底之間的結合,進而實現了初級成核主導的石墨烯生長。場效應晶體管(FET)器件測試結果顯示出制備的均勻單層石墨烯膜具有優異的電學性能,遷移率最高達到3800 cm2 V-1 s-1,是目前绝缘基底上生长的石墨烯薄膜器件的性能最高值。这种无需任何复杂的转移过程,简便可控在绝缘基底上制备高质量石墨烯薄膜的方法,使石墨烯在集成电子和光电子领域中的应用又迈进了一步。该工作中,研究人員与清华大学工程力学系徐志平教授课题组在石墨烯生长机理方面开展了密切的合作研究,相關研究成果發表于美國化學會志上(J. Am. Chem. Soc., 2019 141, 11004-11008),通訊作者爲于貴研究員和徐志平教授,第一作者爲王華平博士

1石墨烯薄膜生长示意圖及其场效应晶体管性能表征

 

有機固體院重點實驗室

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