化學(xué)氣相沉積（CVD）是生長大面積高質(zhì)量石墨烯的有效方法之一。在石墨烯的CVD生長過程中，需要使用金屬催化劑，石墨烯需要轉(zhuǎn)移才能構(gòu)筑電學(xué)器件，與當(dāng)前的半導(dǎo)體加工工藝不兼容，同時轉(zhuǎn)移會造成石墨烯的褶皺、破損和降低其電學(xué)性能。如能在絕緣襯底上實現(xiàn)石墨烯的無金屬催化生長，那就不需要轉(zhuǎn)移可直接構(gòu)筑電學(xué)器件。但是，不同于多數(shù)金屬基底上的自限制生長方式，石墨烯在絕緣基底上的CVD生長常常會伴隨有生長速度慢與重復(fù)成核等缺點，因而會形成均勻性差并具有不確定層數(shù)的石墨烯膜。因此，在絕緣基底上直接制備大面積均勻單層石墨烯薄膜，對其實現(xiàn)與半導(dǎo)體行業(yè)對接和加速石墨烯工業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程具有深遠(yuǎn)影響。
在國家自然科學(xué)基金委和中國科學(xué)院先導(dǎo)項目的支持下，中科院化學(xué)研究所有機(jī)固體重點實驗室于貴課題組長期致力于CVD可控制備石墨烯研究，并取得了系列進(jìn)展（Adv. Mater. 2015, 27, 2821-2837; Adv. Mater. 2015, 27, 4195-4199; Adv. Mater. 2016, 28, 4956-4975; Adv. Mater. Interfaces 2016, 3, 1600347; J. Mater. Chem. C 2016, 4, 7464-7471; Mater. Horiz. 2016, 3, 568; Chem. Mater. 2017, 29, 1022-1027; Nat. Commun. 2017, 8, 14029; Carbon 2017, 121, 1-9; Adv. Mater. Interfaces 2018, 5, 1800347; Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 192-197; Mater. Horiz. 2018, 5, 1021-1034; Chem. Mater. 2019, 31, 1231; Adv. Mater. Technol. 2019, 4, 1800572; Diamond Relat. Mater. 2019, 91, 112-118; Small Methods 2019, 31, 2507）。
近日，研究人員采用了一種新的前驅(qū)體調(diào)控策略成功地抑制了石墨烯的二次成核，從而在絕緣基底上直接生長出大面積高質(zhì)量的均勻單層石墨烯薄膜。通過對石墨烯生長機(jī)理的研究得知，二氧化硅襯底表面的羥基化弱化了石墨烯邊緣與襯底之間的結(jié)合，進(jìn)而實現(xiàn)了初級成核主導(dǎo)的石墨烯生長。場效應(yīng)晶體管（FET）器件測試結(jié)果顯示出制備的均勻單層石墨烯膜具有優(yōu)異的電學(xué)性能，遷移率最高達(dá)到3800 cm2 V-1 s-1，是目前絕緣基底上生長的石墨烯薄膜器件的性能最高值。這種無需任何復(fù)雜的轉(zhuǎn)移過程，簡便可控在絕緣基底上制備高質(zhì)量石墨烯薄膜的方法，使石墨烯在集成電子和光電子領(lǐng)域中的應(yīng)用又邁進(jìn)了一步。該工作中，研究人員與清華大學(xué)工程力學(xué)系教授徐志平課題組在石墨烯生長機(jī)理方面開展了密切的合作研究，相關(guān)研究成果發(fā)表于《美國化學(xué)會志》上（J. Am. Chem. Soc., 2019， 141, 11004-11008），通訊作者為于貴和徐志平，第一作者為王華平。
石墨烯薄膜生長示意圖及其場效應(yīng)晶體管性能表征
