石墨烯的直接生長在絕緣體上提供晶圓級均勻性對于電子和光電應(yīng)用至關(guān)重要。然而，迄今為止它仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)樗枰环N與金屬完全不同的增長模式。在此，蘇州大學(xué)劉忠范、孫靖宇、黃麗珍，國家納米中心高騰，中國石油大學(xué)趙文等展示了使用界面去耦化學(xué)氣相沉積策略在硅片上無金屬催化劑生長準(zhǔn)懸浮石墨烯。在生長過程中使用低于常規(guī)的 H₂劑量和同時(shí)引入甲醇可以有效地削弱合成的石墨烯與底層基板之間的相互作用。因此可以微調(diào)生長模式，生產(chǎn)出具有晶圓級均勻性的主要單層石墨烯薄膜。

因此，在4英寸Si晶片上生長的石墨烯能夠無轉(zhuǎn)移地制造基于石墨烯的高性能場效應(yīng)晶體管陣列，該陣列在電荷中性點(diǎn)幾乎沒有變化，表明石墨烯具有準(zhǔn)懸浮特性。此外，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)15000 cm² V^-1 s^-1 的載流子遷移率。預(yù)計(jì)這項(xiàng)研究將為實(shí)用石墨烯器件在電介質(zhì)上合成晶圓級高質(zhì)量石墨烯提供有意義的理解。

圖4。理論模擬。a) AIMD模擬顯示在模擬氣體反應(yīng)系統(tǒng) (CH₄ + CH₃OH + H₂)中0、1.00、2.00、5.20和10.00 ps的持續(xù)時(shí)間產(chǎn)生OH/H₂O物質(zhì)。b) AIMD 模擬顯示在1500 °C下，在富含OH/H₂O的氣氛中，Si封端的二氧化硅(001)表面的構(gòu)型演變，時(shí)間進(jìn)展為0、0.20、1.00、3.00 和 10.00 ps。c)不同構(gòu)型的分布圖作為 H₂(μ_H2)和OH (μ_OH)化學(xué)勢的函數(shù)。藍(lán)色（紅色）虛線箭頭表示1120 °C (1060 °C)的實(shí)驗(yàn)條件。d) SiO₂-Gr、Si-H-Gr和Si-OH-Gr 三種不同構(gòu)型的界面距離和結(jié)合能的DFT計(jì)算。

為了獲得關(guān)于準(zhǔn)懸浮石墨烯在Si表面上直接生長的理論解釋，進(jìn)行了密度泛函理論 (DFT)計(jì)算。首先，繪制了作為H₂和OH化學(xué)勢函數(shù)的不同配置（包括Si封端的SiO₂、O 封端的SiO₂、H封端的Si和OH封端的Si表面）的分布（圖4c）?？梢杂^察到，Si封端的SiO₂、H封端的Si和OH封端的Si表面的形成在能量上是有利的，而O封端的SiO₂構(gòu)型難以形成。

為了探索溫度效應(yīng)，標(biāo)記了指示1120和1060°C的箭頭剖面，說明了所采用實(shí)驗(yàn)條件的類似。從這個(gè)意義上說，由沉積在暴露于硅的二氧化硅（001）表面上的石墨烯組成的三種松弛混合結(jié)構(gòu)得到了進(jìn)一步優(yōu)化。與無端接（3.53 ?）和H端接（3.92 ?）方案相比，OH端接表面和石墨烯之間的松弛層間距離（4.40 ?）更大，表明兩者之間的相互作用減弱。根據(jù)計(jì)算的距離，三個(gè)系統(tǒng)的結(jié)合能(E_b) 分別為 -2.91(SiO₂-Gr)、-2.30 (Si-H-Gr)和 -1.15 eV (Si-OH-Gr)（圖4d）。OH封端的Si表面的E_b值最低，表明Si-OH代替Si-H的存在解耦了界面相互作用，這將有利于單層準(zhǔn)懸浮石墨烯的形成。

Haina Ci, Jingtao Chen, Hao Ma, Xiaoli Sun, Xingyu Jiang, Kaicong Liu, Jingyuan Shan, Xueyu Lian, Bei Jiang, Ruojuan Liu, Bingzhi Liu, Guiqi Yang, Wanjian Yin, Wen Zhao*, Lizhen Huang*, Teng Gao*, Jingyu Sun*, Zhongfan Liu. Transfer-Free Quasi-Suspended Graphene Grown on a Si Wafer Advanced Materials, 2022

https://doi.org/10.1002/adma.202206389