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清華大學徐志平課題組--電介質襯底上均勻石墨烯單分子層的初級成核主導化學氣相沉積生長

高質量石墨烯在介電基板上的直接化學氣相沉積生長為電子和光電子學中的實際應用提供了廣闊的前景。然而，石墨烯在電介質上的生長總是存在不均勻性和/或質量差的問題。在此，本文首先揭示了一種新的前體修飾策略可以成功地抑制石墨烯的二次成核，從而在介電基板上形成超均勻的石墨烯單層膜。研究機理發現，二氧化硅基質的羥基化削弱了石墨烯邊緣與基底之間的結合，從而實現了初級成核主導的生長。基于石墨烯薄膜的場效應晶體管顯示出優異的電性能，電荷載流子在空氣中的遷移率高達3800 cm² V^-1 s^-1，遠高于已報道的在電介質基底上生長的石墨烯薄膜的遷移率。

Figure 1. (a)石墨烯在多重成核過程和(b)初級成核主導過程中在介電基板上生長的示意圖。(c)由沉積在Si封端的二氧化硅上的石墨烯納米帶組成的混合結構，其中黃色，紅色，青色和白色點分別代表Si，O，C和H原子。(d)圖c中四種混合結構的相應形成能壘。

Figure 2. 前驅體修飾策略生長不同覆蓋范圍的石墨烯樣品。(a-c)形狀和尺寸均勻的石墨烯薄膜的SEM圖。(d–f) 均勻形狀和尺寸的石墨烯薄膜對應的AFM圖。(g–i)圖a-c中石墨烯薄片的粒徑的直方圖。

Figure 3. (a,b)均勻石墨烯薄膜的SEM圖。(c)圖b中石墨烯顆粒的粒徑直方圖。(d)石墨烯薄膜的拉曼光譜。(e)單層石墨烯薄膜邊緣的TEM圖。(f)單層石墨烯薄膜的過濾原子分辨橫向力圖像。(g-i)圖g中的標記區域的光學圖像、相應的拉曼G峰和2D峰強度映射。

Figure 4. (a)石墨烯薄膜生長示意圖。(b)基于石墨烯的FET器件的原理結構。(c)室溫空氣中裝置的輸出曲線；(d)器件在VDS = -1 V時的輸出曲線；(e) 23個設備的載流子遷移率分布，主要為3500-4000 cm² V^-1 s^-1。
相關研究成果于2019年由清華大學徐志平課題組，發表在J. Am. Chem. Soc.(https://doi.org/10.1021/jacs.9b05705)上。原文：Primary Nucleation-Dominated Chemical Vapor Deposition Growth for Uniform Graphene Monolayers on Dielectric Substrate。



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