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大面积高质量的单晶石墨烯和Si插层

 
 

   寻找新型电子学材料和硅基CMOS工艺兼容是凝聚态物理等研究领域关注的主要任务之一。2004年发现的单层石墨烯材料,作为独立于传统二维材料以外的一类严格意义上的二维狄拉克费米子材料,为我们提供了一个新的机遇与平台。其特殊的能带结构(狄拉克点附近的线性色散关系),使其中传播的无质量、手性、相对论性的电学载流子在电场与磁场中表现出反常的物理现象。严格意义上的二维特征(所有的载流子均被束缚在单个原子层内,因而更容易进行外场的调制)、杰出的电学、力学性质,尤其是高载流子迁移率,更是引起了研究者的广泛兴趣。利用石墨烯来制造电子学材料更是研究者们和工业界的共同目标。

   在过去的研究中,石墨烯往往是通过解理体石墨材料获得,因此石墨烯的尺寸一直限制在微米的量级。虽然利用CVD的方法可以在铜箔表面获得大面积的单层石墨烯,但是通过这种方法获得的石墨烯往往是多晶结构,并且利用这种方法获得石墨烯后,需要利用力学、化学等方法进行转移。转移过程中不可避免的会破坏原有石墨烯的质量,因此限制了这种方法的广泛引用。

   最近,中科院物理所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)纳米物理与器件实验室N04研究组(高鸿钧研究组),利用表面外延技术在金属表面获得石墨烯后,对石墨烯的控制生长、性能调制、物理性质进行了系列研究,并首次提出了原位非转移的办法利用该石墨烯材料。

   首先,高鸿钧小组研究发现,通过外延的方法可以在金属钌单晶表面获得高质量大面积的石墨烯材料。通过低能电子衍射和x射线衍射,他们证明了该方法获得的石墨烯为单晶材料,首次提出了通过在金属钌单晶上通过外延的方法获得厘米级的单晶石墨烯材料。之后他们通过理论计算表明,金属基底与石墨烯材料之间存在较强的轨道杂化。有趣的是,这是通过这种轨道杂化,限制了石墨烯的生长晶向,从而获得大面积的单晶材料。

   通过对扫描隧道谱的进一步分析,高鸿钧领导的团队发现,通过这种杂化可以很好的修饰金属表面生长的石墨烯的物理性质。由于石墨烯与金属基底之间的晶格失配,石墨烯生长过程中形成了规则的摩尔斑点,通过对局域功函数的研究,发现这些摩尔斑点类似与传统意义上的量子点,利用这种办法可以制备大面积高度有序尺寸均匀的量子点阵列。

   此后,他们通过外延的方法,将半导体硅材料沉积到石墨烯的表面后,通过高温处理可以将硅材料插入到石墨烯与金属之间,形成石墨烯/半导体硅/金属的异质结构。这种方法避免了化学转移的步骤,避免了转移过程中引入缺陷和杂质,从而保证石墨烯的质量。由于采用了插层技术,使得石墨烯下面的硅基底具有原子级平整,并且不存在电荷杂质,避免了电荷杂质对于载流子输运过程中的长程散射,可以提高载流子的迁移率。与解理的石墨烯相比,金属钌单晶表面获得的石墨烯具有原子级平整,可以避免由于结构上的起伏而引入的杂散磁场的产生,使石墨烯更接近本征的状态。之后他们利用Raman等手段表征了获得石墨烯,证明了石墨烯的质量。

   以上工作得到了科技部、国家自然科学基金委和中国科学院的资金资助。  

相关文献:

  1. “Silicon layer intercalation of centimeter-scale, epitaxially grown monolayer graphene on Ru(0001)”, Jinhai Mao, Li Huang, and Hong-Jun Gao et al.,
    Appl. Phys. Lett.
    100, 093101 (2012) (Cover Story).
  2. “Silicon intercalation at the interface of graphene and Ir(111)”, Lei Meng, Rongting Wu, Haitao Zhou, Geng Li, Yi Zhang, Linfei Li, Yeliang Wang, and H.-J. Gao,
    Appl. Phys. Lett. 100, 083101 (2012).
  3. “Intercalation of metal islands and films at the interface of epitaxially grown graphene and Ru(0001) surfaces”, Li Huang, Yi Pan, Lida Pan, Min Gao, Wenyan Xu, Yande Que, Haitao Zhou, Yeliang Wang, Shixuan Du, and H.-J. Gao,
    Appl. Phys. Lett
    . 99, 163107 (2011).
  4. "Highly Ordered, Millimeter-Scale, Continuous, Single-Crystalline Graphene Monolayer Formed on Ru (0001) ", Y. Pan, H.G. Zhang, D.X. Shi, J.T. Sun, S.X. Du, F. Liu, H. -J. Gao,
    Adv. Mater. 21
    , 2777 (2009).
  5. "Formation of graphene on Ru(0001) surface", Y. Pan, D. X. Shi, and H. -J. Gao,
    Chinese Physics 16
    , 3151 (2007).

* In collaboration with Xingjiang Zhou1, A. H. Castro Neto2.
1Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 2Graphene Research Center, Singapore National University.

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