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介电衬底长出“高”“大”石墨烯

来源:www.timetimetime.net 时间:2020-01-23 编辑:影视

作者:新宇来源:中国科学新闻发布日期:2019/6/24 9:25336024

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Dielectric Substrate growth " High " and " Large " Graphene

Gu changzi(右前)研究组正在加工石墨烯纳米器件 项目组提供图片

■新宇

石墨烯,本报实习记者,由于其独特的结构和性质,具有丰富和新颖的物理和化学性质。它已经成为一种神奇的材料,具有优异的机械、热学、光学和电学性能。它在信息器件和电路领域具有广阔的应用前景,是当前信息科学发展最快、最活跃的研究前沿之一。

近年来,石墨烯研究取得了一系列重要进展,新发现和新成果不断涌现。然而,总的来说,它在实际的信息设备中仍然面临许多挑战。 尤其是基于高质量大面积石墨烯的信息器件的构建及其特性的研究引起了广泛关注。

2014年以来,在国家自然科学基金重大项目“电介质衬底上高质量大面积石墨烯信息器件的构建与特性研究”的支持下,中国科学家瞄准该领域的前沿研究,针对石墨烯信息器件的一些关键基础问题开展新概念、新方法和新技术的研究,在石墨烯信息器件的重大科学问题上取得了一系列进展。

超材料石墨烯独特而完美

石墨烯是由单层碳原子紧密堆积而成的二维蜂窝状晶体结构。这种独特而完美的结构使它具有优秀而新颖的特点。 例如,石墨烯具有硅的超高载流子迁移率的100倍,高达130GPa的强度,良好的柔韧性,近20%的伸长率,超高的热导率,高达每克2600平方米的比表面积,并且几乎透明,在宽带中光吸收仅为2.3%。

这些优异的物理性能使石墨烯在射频晶体管、超灵敏传感器、柔性透明导电膜、超强高导电复合材料、高性能锂离子电池和超级电容器等方面显示出巨大的应用潜力。

“高”和“大”石墨烯的制备并不容易

”能否在介质衬底上制备大面积、高质量的石墨烯是其真正实现应用的关键前提和基础,也是石墨烯研究领域的热点和焦点。 中国科学院物理研究所主要项目主任兼研究员顾长志告诉《中国科学报》

大多数化学气相沉积方法使用过渡金属作为生长基底。它们具有高的化学催化活性,促进碳源的裂解以及石墨烯在金属表面的吸附、扩散、成核和生长 通过调控生长过程的参数,可以实现大面积、可控层、高质量、结构均匀连续的石墨烯薄膜,并通过工艺优化实现大面积石墨烯单晶的生长

值得一提的是,在实际应用过程中,在金属表面形成的石墨烯通常需要在进行下一次器件加工之前转移到介电层 复杂的转移过程不可避免地会带来石墨烯损伤、起皱、金属和溶剂残留污染、操作复杂、一致性差、成本高等问题。

为了解决这个问题,研究人员集中精力直接在电介质衬底表面生长石墨烯。 “如果能够在介质衬底上直接可控地制备大面积、高质量的石墨烯,就可以直接利用当前的微电子技术制备器件,实现与硅技术的集成,这将极大地促进石墨烯的广泛应用和巨大发展 项目组成员、中国科学院院士高鸿钧说

但是,由于介电层的表面能低,对碳源小分子裂解和石墨烯形成的催化作用非常弱,因此石墨烯在介电基底上的直接生长是一个研究难点。

生长“高”和“大”石墨烯

如何在器件中展示石墨烯的优异性能?面对这一挑战,项目团队改进了石墨烯的生长方法,并试图在各种电介质衬底上生长石墨烯。

研究人员通过巧妙控制引入的碳源量和实验温度,利用扫描隧道显微镜直接观察石墨烯初始生长阶段的前驱体单元以及石墨烯成核阶段前驱体单元形成的链状结构。 项目负责人、中国科学院物理研究所研究员杜宣石对《中国科学报》表示:“前驱体的发现表明,前驱体的生成可以通过控制碳源的引入而受到影响,从而实现高质量、大面积石墨烯的可控生长。 “

基于此,研究小组在世界上首次提出并使用“插层法”,将硅、锗、镁、铪等材料原位无损伤地插入石墨烯与金属之间的界面。它克服了原位氧化插层结构的许多困难。经过多次实验和探索,最终获得了高绝缘的介电插层,实现了高质量大面积石墨烯材料在介电基底上的生长。 同时,石墨烯量子器件的加工证实了介电插层的有效性,引起了国际同行的关注和赞誉。

此外,研究人员还利用非金属催化化学气相沉积法在各种绝缘衬底上实现微米级石墨烯单晶的直接生长和可控制备,获得大面积均匀单层石墨烯薄膜,薄膜尺寸可达3英寸 “这也为石墨烯器件的构建和性能控制以及项目后期高性能石墨烯器件的制备和优化提供了条件。 ”该项目的负责人、中国科学院化学研究所的研究员余贵说

为了将生长在上述介质衬底上的高质量石墨烯应用于信息功能器件,中国科学院物理研究所研究员杨方还等人发明了双层掩膜工艺,实现了亚10纳米石墨烯功能结构的精确可控制备,解决了电子束曝光在绝缘介质衬底上制备石墨烯纳米结构的问题。 同时,采用电子束曝光和紫外光刻的混合曝光方法,在4英寸介质衬底上实现石墨烯传感器器件和射频晶体管阵列的精确、大面积、一致和高效的制备。 批量制备和优化具有许多新特性的“石墨烯器件”石墨烯被认为是一种非常有前途的信息功能材料 因此,电子器件和电路是石墨烯应用的首选领域,也是研究最广泛的领域。 石墨烯可以应用于磁传感器、高频电路、气体传感器、光学传感器、柔性电子器件等许多方面。

顾长志告诉记者,项目团队重点关注石墨烯在信息器件和电路建设中的应用需求。在关注介电基底上大面积高质量石墨烯可控制备和特性的同时,也积极探索石墨烯基信息器件的构建和集成。 “在研究具有信息功能的石墨烯纳米结构的制备和性能控制的基础上,我们制备了多种石墨烯信息功能器件,并对其性能进行了深入研究 ”他说

研究者提出了一种石墨烯波纹结构的应力传感器,使应力测量范围超过30%,并设计了一种基于隧道效应的纳米石墨烯薄膜应力传感器,将灵敏度因子提高到500以上 在实际应用中,可以根据需要选择具有不同表面电阻和灵敏度的准连续石墨烯来构建应力传感器。

”这种基于石墨烯隧道效应的应力传感器具有拉伸性、高灵敏度、稳定性强、透明性等特点。它在人造皮肤、触摸屏等领域显示出巨大的应用潜力 ”顾长志说道

石墨烯因其超高载流子迁移率、低载流子浓度和良好的稳定性,是霍尔元件的优异电子材料。

项目负责人、北京大学教授彭练矛开发了一种简单、低成本的石墨烯微加工技术,以克服器件接触电阻大的问题,并大批量生产具有超高灵敏度和分辨率的石墨烯霍尔元件。 石墨烯霍尔元件的磁灵敏度为2093伏/分,分辨率为1毫克/赫兹,为0.5,是目前最灵敏、最精确的石墨烯霍尔元件。 “这种高灵敏度霍尔传感器可以检测更小的磁场,降低后端放大电路的成本,具有很大的市场应用前景。 ”彭练矛告诉《中国科学报》

此外,研究人员开发了基于柔性石墨烯霍尔传感器的柔性可穿戴位置传感系统。 “把传感器贴在用户的手指上,当磁铁靠近磁场源时,根据霍尔效应,输出电压会有一个跳跃 通过记录和处理电压信号,创造性地实现了虚拟键盘、虚拟电子琴和无接触密码锁的演示。 彭练矛表示,这种高灵敏度的柔性磁传感器有望应用于无接触密码输入、可穿戴娱乐和工业控制安全保护等领域。

此外,项目团队还开发了石墨烯/硅基互补金属氧化物半导体线性霍尔集成电路、石墨烯倍频器、混频器和具有独立功能的短沟道器件。 这一系列具有自主知识产权的高性能新原理石墨烯信息设备,有效提升了石墨烯信息设备在中国的自主研发能力及其在该领域的学术影响力,同时也打造了一支创新能力强、多学科交叉的国际一流研究团队。

《中国科学报》 (2019-06-24第四版自然科学基金会)

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