超越透明膠帶-研究級CVD石墨烯的可擴展轉移

1成果簡介

　　自2008年以來，基于化學氣相沉積（CVD）的可擴展石墨烯合成技術已得到廣泛應用，但需要持續高品質材料的基礎研究仍依賴于剝離石墨烯。本文，哥倫比亞大學James Hone等研究人員在《Nano Lett》期刊發表名為“Moving Beyond Scotch Tape: Scalable Transfer of Research-Grade CVD Graphene”的論文，研究采用蒸發鎳技術，將超高品質的CVD石墨烯從Cu(111)基底轉移為連續薄膜或預定義形狀的陣列。通過精確控制蒸發條件，避免了對石墨烯的損傷，從而保持其固有品質。該干式轉移工藝最大限度降低了應變與摻雜。經六方氮化硼封裝后，CVD生長石墨烯展現出與頂級剝離石墨烯器件相當的低溫磁輸運特性。通過堆疊CVD生長石墨烯，可制備扭轉紊亂度極低的神奇角扭曲雙層石墨烯。這些成果證明，CVD生長石墨烯甚至能替代剝離片材，滿足最嚴苛的應用需求。

2圖文導讀

圖1. 鎳輔助的大面積/圖案化石墨烯薄膜轉移至SiO?/Si基底。a，鎳輔助化學氣相沉積石墨烯轉移示意圖： (1) 在生長后的Gr/Cu(111)表面蒸鍍Ni層(2) 在金屬表面旋涂聚丙烯碳酸酯(PPC)層及熱敏剝離膠帶(TRT)，實現PPC/Ni/Gr層從Cu基底剝離 (3) 層壓至SiO?/Si基底，清除TRT/PPC殘留物，并用鹽酸蝕刻Ni膜。b. 轉移至SiO?/Si的大面積石墨烯薄膜光學圖像。圖(b)插圖為放大視圖，顯示石墨烯薄膜無褶皺、無附加層且無空隙。c-d，分別采用透射電子顯微鏡網格和SiNx/Si陰影掩模轉移至SiO2/Si基底的石墨烯方形與冠狀圖案光學圖像。e，天然Gr-SiO2階梯的AFM圖像，其高度為0.34納米，表明石墨烯表面無殘留。f-g，具有代表性的超平整石墨烯方形與冠狀圖案的AFM圖像。

圖2. 硅二氧化物/硅基底上化學氣相沉積石墨烯薄膜的摻雜與應變抑制。

圖3. 鎳轉移石墨烯薄膜的輸運特性。

圖4. 采用鎳轉移石墨烯制備魔角CVD單層黑磷石墨烯。

3小結

　　這些發現標志著一個關鍵臨界點：在基礎研究領域，化學氣相沉積法生長的石墨烯已不存在可察覺的劣勢。事實上，鎳轉移石墨烯中的低應變紊亂對組裝摩爾異質結構具有優勢，并能提升量子霍爾響應——因為應變梯度會在石墨烯中誘導出贗磁場。

　　除了節省時間和精力之外，與剝落石墨烯相比，單晶 CVD 石墨烯的使用還具有多種實際優勢，包括確定性形狀控制和明確的晶體取向。剝離石墨烯本質上是隨機的和尺寸有限的，而這種 CVD 平臺可以大面積生產高性能石墨烯，為集成到先進設備架構中鋪平道路。利用預定義的石墨烯陣列還將簡化機器人異質結構組裝的過程。為了實現研究級石墨烯器件的可擴展制造，剩下的關鍵挑戰是將 hBN 介電層“超越透明膠帶”。這一挑戰可以通過繼續提高 hBN 薄膜的質量或利用大規模剝離來解決來自高質量的單晶?；蛘撸渌蜔o序電介質可以為許多應用提供足夠的質量。

　　文獻：
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c03305

　　來源：材料分析與應用