石墨烯基本知識(shí)

石墨烯王東2010年10月調(diào)研報(bào)告的主要內(nèi)容石墨烯的基本知識(shí)石墨烯的研究進(jìn)展晶圓級(jí)石墨烯本人對(duì)該項(xiàng)目的若干建議石墨烯的基本知識(shí)C元素的同素異形體

石墨（Graphite）——層狀結(jié)構(gòu)，每一層中的碳按六方環(huán)狀排列，上下相鄰層通過平行網(wǎng)面方向相互位移后再疊置形成層狀結(jié)構(gòu)，位移的方位和距離不同就導(dǎo)致不同的多型結(jié)構(gòu)。

金剛石（Diamond）——四面體結(jié)構(gòu)，四個(gè)碳原子占據(jù)四面體的頂點(diǎn)。石墨烯的基本知識(shí)

富勒烯（Fullerene）C60球棍模型

1985年，英國(guó)化學(xué)家哈羅德·沃特爾·克羅托博士和美國(guó)科學(xué)家理查德·斯莫利等人在氦氣流中以激光汽化蒸發(fā)石墨實(shí)驗(yàn)中首次制得由60個(gè)碳組成的碳原子簇結(jié)構(gòu)分子C60?？肆_托獲得1996年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

隨后又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)C70等一系列由非平面的五元環(huán)、六元環(huán)等構(gòu)成的封閉式空心球或橢球結(jié)構(gòu)的共軛烯結(jié)構(gòu)，以建筑學(xué)家富勒命名為富勒烯。石墨烯的基本知識(shí)納米碳管(CarbonNanotube)

在1991年日本NEC公司基礎(chǔ)研究實(shí)驗(yàn)室的電子顯微鏡專家飯島(Iijima)在高分辨透射電子顯微鏡下檢驗(yàn)石墨電弧設(shè)備中產(chǎn)生的球狀碳分子時(shí)，意外發(fā)現(xiàn)了由管狀的同軸納米管組成的碳分子,這就是現(xiàn)在被稱作的“CarbonNanotube”，即碳納米管,又名巴基管。

碳納米管一般分為單壁(右上)和多壁（右下）兩種。石墨烯的基本知識(shí)石墨烯(Graphene)

2004年，曼徹斯特大學(xué)Geim教授、Novoselov博士和同事以微機(jī)械剝離法剝離層狀石墨，發(fā)現(xiàn)了二維碳原子平面結(jié)構(gòu)——石墨烯。高分辨STM圖片a)石墨b)單層石墨烯3個(gè)C原子6個(gè)C原子石墨烯的基本知識(shí)石墨烯的發(fā)現(xiàn)推翻了所謂“熱力學(xué)漲落不允許二維晶體在有限溫度下自由存在”*的原有認(rèn)知，震撼了整個(gè)物理界。因此其發(fā)現(xiàn)者A.K.Geim和K.S.Novoselov獲得了2008年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的提名。*NovoselovKS,GeimAK,FirsovAA.Science,2004,306:666-669.石墨烯的基本知識(shí)A.K.Geim和K.S.Novoselov已獲2010年諾貝爾物理獎(jiǎng)石墨烯的基本知識(shí)什么是石墨烯？

石墨烯——英文Graphene，命名來自英文graphite+-ene，是一種由C原子經(jīng)sp2電子軌道雜化后形成的蜂巢狀的準(zhǔn)二維結(jié)構(gòu)，是C元素的另外一種同素異形體。A.K.Geim教授認(rèn)為，我們所熟知的石墨、納米碳管和富勒烯等C的3維結(jié)構(gòu)，是由單層石墨烯(SG)經(jīng)過某種形變而形成的。石墨烯的基本知識(shí)單層石墨烯富勒烯納米碳管石墨AKGeim&KSNovoselov.NatureMaterials,2007,6:183-191.石墨烯的基本知識(shí)石墨烯的穩(wěn)定性

由于完美二維晶體不能在有限溫度下穩(wěn)定存在，近期理論模擬和透射電鏡實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出了可能的解釋，即石墨烯平面上存在納米級(jí)別的微觀扭曲。NanoLetters,2009,9(5):2129-2132石墨烯在聚合物中的相變。a)加熱前；b)加熱后石墨烯的基本知識(shí)石墨烯的種類Single-layerGraphene(SG)Bi-layerGraphene(BG)Few-layerGraphene(FG)（層數(shù)<10）石墨烯層間以范德華力（VanDerWaals）結(jié)合石墨烯的層數(shù)不同，性質(zhì)也隨之產(chǎn)生很大差異。石墨烯的基本知識(shí)石墨烯家族的其它成員石墨烷(Graphane)氫化石墨烯(Graphone)氧化石墨烯(GrapheneOxide)石墨烯的基本知識(shí)石墨烯的獨(dú)特性質(zhì)最薄——單層原子厚、準(zhǔn)二維強(qiáng)度最高（~1060GPa）驚人的熱導(dǎo)率（3000Wm-1K-1）和硬度極高的載流子遷移率——105cm2V–1s–1量級(jí)載流子的有效質(zhì)量為0——彈道輸運(yùn)室溫半整數(shù)量子霍爾效應(yīng)電導(dǎo)率永不消失石墨烯的獨(dú)特性質(zhì)是由其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)所決定的。

石墨烯的基本知識(shí)石墨烯C原子外層3個(gè)電子通過sp2雜化形成強(qiáng)σ鍵(藍(lán))，相鄰兩個(gè)鍵之間夾角約為120°；第4個(gè)電子為公共，形成弱π鍵(紫)，為平面結(jié)構(gòu)。金剛石C原子外層四個(gè)電子通過sp3雜化，形成較強(qiáng)σ鍵，為四面體結(jié)構(gòu)，相鄰兩個(gè)鍵之間夾角約為109°。石墨烯的基本知識(shí)石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)（一）載流子為無靜止質(zhì)量的狄拉克-費(fèi)米子，需用相對(duì)論量子力學(xué)來描述。PhysicsToday(2007)石墨烯的基本知識(shí)石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)（二）VerticalopticaltransitionVanHoveSingularityKKMonolayerBilayerxx石墨烯的基本知識(shí)石墨烯的層間堆垛結(jié)構(gòu)(Stacking)雙層石墨烯(Bi-layer)三層石墨烯(Tri-layer)單層石墨烯(Single-layer)石墨烯的基本知識(shí)Graphenehastwoatomsperunitcell.Thesetwoatomsfortwointerlockingtriangularsub-lattices.石墨烯的基本知識(shí)AatomBatomModifiedfrom:/img/science/graphite?Dr.ChrisEwels,Inst.ofMaterials

Graphenehastwosimpleedgegeometies.Thezigzagterminationinvolvesonlyonesub-latticesite.Thearmchairterminationinvolvesbothsub-latticesites.AatomBatomZIGZAGARMCHAIR石墨烯的基本知識(shí)石墨烯的基本知識(shí)石墨烯的輸運(yùn)特性

對(duì)于單層或雙層石墨烯，其最顯著的性質(zhì)：1.高室溫遷移率，且電子與空穴的遷移率幾乎相等，其散射機(jī)制主要是聲子散射；2.載流子模型為無質(zhì)量的狄拉克-費(fèi)米子(MasslessDirac-Fermions)；3.半整數(shù)和反?；魻栃?yīng)、室溫量子霍爾效應(yīng)；4.電子相干彈道輸運(yùn)；5.庫倫阻塞等。石墨烯的基本知識(shí)單層石墨烯的反常電導(dǎo)率

零電場(chǎng)下，石墨烯在Dirac點(diǎn)附近的電導(dǎo)率并未因載流子濃度n趨于零而消失，相反卻接近量子化的電導(dǎo)率4e2/h產(chǎn)生的原因可能是石墨烯的原子層起伏或者與襯底的雜質(zhì)間的相互作用石墨烯的基本知識(shí)量子霍爾效應(yīng)(QHE)

SLG的霍爾電導(dǎo)率，相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)序列數(shù)值改變了1/2，4來自于雙自旋和雙能谷簡(jiǎn)并；BLG遵循標(biāo)準(zhǔn)序列，但N=0，第一個(gè)峰消失，表明在中性點(diǎn)BLG有金屬的性質(zhì)。石墨烯的基本知識(shí)石墨烯的光學(xué)性質(zhì)ACSNano,2009,3:3963

石墨烯被氧等離子體處理后，被波長(zhǎng)514nm的激光激發(fā)，會(huì)產(chǎn)生500~800nm的可見光光譜，光子壽命在2ns以上。1、2和3區(qū)域分別為單層、雙層和3層石墨烯。石墨烯的基本知識(shí)石墨烯的磁學(xué)性質(zhì)

石墨烯電子雜化程度高，本身不具磁性，引入雜質(zhì)或缺陷使外層有未配對(duì)電子，會(huì)產(chǎn)生磁性。

北大孫強(qiáng)教授課題組報(bào)道了利用氫化技術(shù)，使部分C原子吸附H，破壞π鍵，使未氫化C原子產(chǎn)生未配對(duì)的2p電子，它們之間長(zhǎng)程交換耦合，產(chǎn)生鐵磁性，居里溫度278~417K，并將其命名為Graphone。NanoLetters,2009,9(11):3867-3870石墨烯的基本知識(shí)石墨烯的主要制備方法物理方法HOPG微機(jī)械剝離法超聲剝離法化學(xué)方法SiC高溫?zé)峤夥ㄟ^渡族金屬襯底CVD法氧化-分散-還原法其它方法石墨烯的基本知識(shí)HOPG微機(jī)械剝離法

利用手工或超聲的方法將高取向性高溫?zé)峤馐?HOPG)逐層剝離，缺點(diǎn)是效率低、無法大面積，優(yōu)點(diǎn)是層數(shù)可控，尤其可得到單層石墨烯。如果采用超聲剝離技術(shù)，可以提高效率和成品率Nanotechnology,2008,19:455601石墨烯的基本知識(shí)SiC襯底高溫?zé)峤夥?/p>

超高真空(10-10Torr)下對(duì)SiC襯底氧化或氫化處理，加熱至1200~1500℃，再降溫冷卻形成石墨烯。優(yōu)點(diǎn)是可得到單層和雙層石墨烯，缺點(diǎn)是成本高、均勻性差，Si面形成單層或少層片狀石墨烯，C面形成多層石墨烯。GrapheneandEmergingMaterialsforPost-CMOSApplications,2009,19(5):125-130C-terminateSiCSi-terminateSiC石墨烯的基本知識(shí)SiC襯底高溫?zé)峤夥℅rapheneC-SiCC原子重構(gòu)(Reconstruction)Si-face(0001)SiCC-face(000-1)SiC()Graphene石墨烯的基本知識(shí)過渡族金屬襯底CVD法

首先沉積一層過渡族金屬(如Fe、Cu、Ni、Pt、Au、Ru、Ir等)薄膜作為襯底，利用其與C的高溫固溶，然后冷卻析出，再表面重構(gòu)，形成石墨烯。優(yōu)點(diǎn)是有利于大面積晶圓級(jí)石墨烯生長(zhǎng)；缺點(diǎn)是層數(shù)精確控制較難，需要進(jìn)行金屬襯底剝離和襯底轉(zhuǎn)移。Nature,Letters,2009,457:07719石墨烯的基本知識(shí)氧化-分散-還原法

將石墨氧化后分散(超聲、高速離心)到溶液中得到前體，再用還原劑還原得到單層或多層石墨烯。優(yōu)點(diǎn)是成本低廉，缺點(diǎn)是可控性差，生產(chǎn)率低，石墨烯中含氧功能團(tuán)多，導(dǎo)電性差。石墨烯的基本知識(shí)氧化-修飾-還原法

為進(jìn)一步破壞層間范德華力，減少含氧功能團(tuán)進(jìn)行的改進(jìn)。共價(jià)鍵修飾非共價(jià)鍵修飾金屬顆粒或離子修飾石墨烯的基本知識(shí)其它方法石墨烯還可以采用化學(xué)方法直接合成先合成六苯并蔻(HBC),然后在FeCl3

或Cu(OTf)2-AlCl3

作用下環(huán)化脫氫得到較大平面的石墨烯。在上述制備方法中，超聲剝離、SiC高溫?zé)峤夂虲VD-襯底轉(zhuǎn)移三種方法被認(rèn)為最有希望實(shí)現(xiàn)大面積晶圓級(jí)石墨烯的制備，使得石墨烯最終替代Si，成為延續(xù)摩爾定律的下一代半導(dǎo)體材料。石墨烯的基本知識(shí)石墨烯主要制備方法比較工藝名稱優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)適用范圍微機(jī)械剝離工藝簡(jiǎn)單，可得到單層手工、費(fèi)時(shí)，面積小，無法批量生產(chǎn)基礎(chǔ)研究或者原型器件SiC高溫?zé)峤饧兌雀?，可原位監(jiān)控，可大面積生長(zhǎng)，無需襯底轉(zhuǎn)移均勻性較差，不同原子截止面性質(zhì)差異明顯，成本高昂高性能的電子器件，晶圓級(jí)CVD外延可實(shí)現(xiàn)大面積生長(zhǎng)，可控性較好需過渡族金屬催化，必須襯底轉(zhuǎn)移高性能電子器件，晶圓級(jí)化學(xué)分離工藝簡(jiǎn)單，可控性較好無法大面積，含氧功能團(tuán)降低性能基礎(chǔ)研究或小型器件其它石墨烯的基本知識(shí)石墨烯的表征方法原位(主要是在SiC高溫?zé)峤夥?AES、LEEM離位高分辨掃描隧道顯微鏡(STM)原子力顯微鏡(AFM)高分辨掃描/透射電子顯微鏡(SEM/TEM)顯微拉曼(RamanSpectroscopy)X射線衍射(XRD)其它光學(xué)方法可以直接得到層數(shù)石墨烯的基本知識(shí)光學(xué)方法觀察石墨烯石墨烯的基本知識(shí)高分辨STM/AFM

高分辨AFM可以分辨石墨烯的層數(shù)；而高分辨的STM可以分辨石墨烯的晶體結(jié)構(gòu)，但是效率很低。

a)b)石墨烯的高分辨AFM圖像石墨烯的高分辨STM圖像石墨烯的基本知識(shí)高分辨電鏡高分辨掃描電子顯微鏡SEM在一定的襯度下可以分辨出石墨烯的晶體缺陷。高分辨透射電子顯微鏡TEM在一定的襯度下可以分辨出石墨烯的層結(jié)構(gòu)。1L2L石墨烯的基本知識(shí)RamanSpectroscopy

共焦顯微拉曼譜是表征石墨烯的一種非常重要的方法，它不但可以反映其層結(jié)構(gòu)信息，還可以用來表征相關(guān)缺陷、摻雜等特性。

單層石墨烯SLG的典型Raman譜石墨烯的基本知識(shí)RamanSpectroscopy

右圖反映了分別反映了HOPG、BLG和SLG的2D拉曼峰的差異。G帶(1582cm-2)隨著石墨烯層數(shù)減少而減弱；BLG的2-D帶可以分解為4個(gè)峰，對(duì)應(yīng)于4種谷間聲子躍遷；SLG的2-D帶(2682cm-2)半峰寬明顯變窄。G-band2D-band石墨烯的基本知識(shí)RamanSpectroscopy石墨烯2D峰隨層數(shù)的變化隨著石墨烯層數(shù)的不同，其Raman光譜也會(huì)發(fā)生變化，圖中分別為514nm和633nm激光激發(fā)下，不同層數(shù)的石墨烯2D峰變化。明顯可以看出，隨著層數(shù)增加，2D峰向長(zhǎng)波數(shù)方向移動(dòng)，表明石墨烯逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槭?。石墨烯的基本知識(shí)石墨烯的應(yīng)用傳感器儲(chǔ)氫？集成電路（需晶圓級(jí)石墨烯）電子器件透明電極生物醫(yī)藥其它石墨烯的研究進(jìn)展理論方面材料生長(zhǎng)方面器件方面晶圓級(jí)石墨烯石墨烯的研究進(jìn)展（截止4月）FromISI石墨烯的研究進(jìn)展理論方面石墨烯的能帶工程本征石墨烯為零帶隙半金屬/半導(dǎo)體材料，通過摻雜、外場(chǎng)、物理剪裁、表面吸附等手段可使其費(fèi)米面與Dirac點(diǎn)產(chǎn)生相對(duì)位移或產(chǎn)生連續(xù)可調(diào)的帶隙。點(diǎn)陣代位摻雜——B和N元素

2009年P(guān)anchakarla等人電弧放電B和N摻雜2009年中科院化學(xué)所CVD中用CH4和NH3n型N摻雜石墨烯的研究進(jìn)展通過與襯底作用、吸附分子和表面化學(xué)反應(yīng)來改變能帶結(jié)構(gòu)2007年美國(guó)科學(xué)家SiC上生長(zhǎng)的石墨烯有約0.26eV帶隙，且隨層數(shù)增加而減小2009年A.K.Geim課題組石墨烯氫化反應(yīng)由半金屬轉(zhuǎn)變?yōu)榻^緣體2010年美國(guó)喬治亞理工大學(xué)的Raghunath等人利用不同劑量電子束輻照改變spinonglass涂覆層和石墨烯鉸鏈反應(yīng)實(shí)現(xiàn)p型或n型摻雜2006年英國(guó)Edward利用緊束縛近似和Hartree近似研究雙層石墨烯的能帶預(yù)言雙層石墨烯帶隙可通過外加?xùn)烹妷赫{(diào)控2007年荷蘭科學(xué)家測(cè)量雙層石墨烯電導(dǎo)率證實(shí)該預(yù)言石墨烯的研究進(jìn)展能帶工程Free-standingGrapheneB摻雜的

Graphene外延在襯底上的Graphene石墨烯的研究進(jìn)展物理剪裁2010年，Bhagawan等人證實(shí)通過改變石墨烯層數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)石墨烯帶隙的調(diào)控。

研究表明，改變石墨烯納米帶的尺度，也能調(diào)控其帶隙。2009年A.K.Geim課題組雙層石墨烯帶隙可從0調(diào)制到中紅外波段2010年美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校FengWang等人用紅外光譜測(cè)量石墨烯的帶隙發(fā)現(xiàn)通過電場(chǎng)可在室溫下實(shí)現(xiàn)雙層石墨烯帶隙從0~250meV連續(xù)可調(diào)石墨烯的研究進(jìn)展理論方面物理表征2009年印度科學(xué)家Raman光譜檢測(cè)石墨烯摻雜德國(guó)科學(xué)家Michely等人角分辨光電子譜ARPES發(fā)現(xiàn)襯底摻雜導(dǎo)致能帶中打開微小帶隙美國(guó)斯坦福大學(xué)沈志勛等人微波成像法表征摻雜石墨烯的導(dǎo)電性2009年底美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校FengWang等人紅外光譜在雙柵石墨烯FET中直接觀測(cè)到電場(chǎng)對(duì)帶隙的調(diào)制石墨烯的研究進(jìn)展材料生長(zhǎng)方面

目前石墨烯制備主要采用五類方法：化學(xué)合成、氧化-分散-還原、HOPG微機(jī)械剝離、SiC高溫?zé)峤夂虲VD外延。2004年英國(guó)曼徹斯特大學(xué)A.K.Geim課題組微機(jī)械剝離首次得到10um左右的單層石墨烯2006年IBMSiC高溫?zé)峤馐状螌?shí)現(xiàn)石墨烯單層可控生長(zhǎng)2009年IBMSiC高溫?zé)峤鈱?shí)現(xiàn)大面積晶圓級(jí)石墨烯生長(zhǎng)，并以其為溝道，成功研制截止頻率100GHz的石墨烯晶體管石墨烯的研究進(jìn)展石墨烯的研究進(jìn)展2009年初美國(guó)南加州大學(xué)的Lewis和麻省理工A.Reina等人CVD過渡族金屬催化外延成功制備出20um左右，層數(shù)1~20層的石墨烯同年底日本富士通公司CVD過渡族金屬催化外延降低溫度到650℃實(shí)現(xiàn)厚度可控生長(zhǎng)并研制成功石墨烯FET原型器件最近美國(guó)德克薩斯大學(xué)CVD過渡族金屬催化外延銅箔實(shí)現(xiàn)300mm直徑的晶圓級(jí)石墨烯生長(zhǎng)，成品率(單層連續(xù))>95%石墨烯的研究進(jìn)展材料生長(zhǎng)方面SiC高溫?zé)岱纸夂笠r底轉(zhuǎn)移

SiC襯底本身可以做到半絕緣，對(duì)于應(yīng)用于高頻電子器件的石墨烯，不需要襯底轉(zhuǎn)移。但是，對(duì)于某些特殊應(yīng)用，也可能需要將石墨烯從SiC襯底上轉(zhuǎn)移到其它襯底。石墨烯的研究進(jìn)展CVD外延后襯底轉(zhuǎn)移由于CVD外延往往采用過渡族金屬薄膜催化，而金屬的導(dǎo)電性將影響石墨烯的導(dǎo)電性，因此對(duì)于電子器件，需要將石墨烯下方金屬去除，將石墨烯轉(zhuǎn)移到半絕緣襯底上。石墨烯的研究進(jìn)展器件方面

石墨烯理論電子和空穴遷移率高達(dá)106cm2V-1s-1，2DEG密度1013cm-2，飽和漂移速度108cms-1等等，目前器件研究主要集中在射頻器件和CMOS原型器件方面，對(duì)于射頻器件，主要考慮器件的電流處理能力和跨導(dǎo)，對(duì)夾斷特性要求低；CMOS器件重點(diǎn)解決帶隙調(diào)控、NMOS和PMOS形成機(jī)制，界面對(duì)遷移率的影響等，初步實(shí)現(xiàn)了石墨烯CMOS器件原型和反相器電路。射頻器件石墨烯的研究進(jìn)展2008年HRLSiC襯底，2英寸晶圓級(jí)石墨烯上制作FET，ALD沉積Al2O3作柵介質(zhì)室溫面電子濃度1013cm-2載流子遷移率1500cm2V-1s-11V偏置達(dá)到1180uA/um，5V3000uA/um，開關(guān)比4；柵長(zhǎng)2um時(shí)，源漏偏壓5V，最大截止頻率4GHz，fmax14GHz2009年IBM微機(jī)械剝離遷移率400cm2V-1s-1柵長(zhǎng)360nm，源漏電壓1.6V時(shí)，電子和空穴跨導(dǎo)分別45和-35mS/mm，截止頻率4GHz；柵長(zhǎng)減小到160nm，截止頻率達(dá)到26GHz，首次證明石墨烯器件截止頻率fT~1/LG2的關(guān)系石墨烯的研究進(jìn)展2010年IBM優(yōu)化Al2O3工藝，雙柵載流子遷移率達(dá)到2700cm2V-1s-1背柵電壓-40V，頂柵電壓1.6V，源漏電壓0.8V是，350nm柵長(zhǎng)器件截止頻率50GHz2010年IBM采用poly-hydroxystyrene界面層，10nmHfO2為柵介質(zhì)漏壓1V時(shí)，柵長(zhǎng)240nmFET跨導(dǎo)大于0.1mS/mm，截止頻率100GHz美國(guó)DARPA預(yù)計(jì)2-3年內(nèi)，石墨烯射頻器件的頻率可達(dá)500GHz，應(yīng)用于極低功耗、極低噪聲的系統(tǒng)中CMOS器件石墨烯的研究進(jìn)展2008年美國(guó)斯坦福大學(xué)利用量子尺寸限制效應(yīng)將石墨烯導(dǎo)帶-價(jià)帶拉開寬度5nm時(shí)實(shí)現(xiàn)帶隙400meV的石墨烯納米帶室溫下電流開關(guān)比大于105最近佐治亞理工大學(xué)采用SOG材料通過電子束輻照時(shí)間的改變形成n型和p型石墨烯電子束能較高時(shí)形成p型電子束能較低時(shí)形成n型目前器件遷移率僅1500cm2V-1s-1，一般認(rèn)為是由于工藝過程中的表面效應(yīng)導(dǎo)致的；此外大多為n-MOS器件，而p-MOS研究尚未開展。如果用高遷移率石墨烯直接替代CMOS中的溝道，其工藝完全與現(xiàn)有工藝兼容，因此目前石墨烯器件都采用與CMOS兼容的工藝，轉(zhuǎn)移到絕緣或半絕緣襯底上。實(shí)現(xiàn)CMOS電路的關(guān)鍵是提高石墨烯電流開關(guān)比。石墨烯的研究進(jìn)展器件方面新器件探索2008年3月英國(guó)曼徹斯特大學(xué)與德國(guó)MaxPlanckInstitute石墨烯單電子高速晶體管在室溫下非常穩(wěn)定的工作器件開啟和關(guān)閉電壓非常低同年4月同小組10nm的石墨烯晶體管和長(zhǎng)寬均為1個(gè)分子的單原子晶體管2008年5月美國(guó)佐治亞理工大學(xué)與麻省理工林肯實(shí)驗(yàn)室在單一芯片上制備了數(shù)百個(gè)石墨烯晶體管陣列晶圓級(jí)石墨烯研究晶圓級(jí)石墨烯的意義IC尺度進(jìn)入納米級(jí)，Si基COMS受到挑戰(zhàn)石墨烯具有極特殊的性質(zhì)石墨烯可與現(xiàn)有IC工藝兼容有可能替代Si材料，延續(xù)摩爾定律晶圓級(jí)層數(shù)可控的石墨烯材料及器件研究成為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵晶圓級(jí)石墨烯FromISI晶圓級(jí)石墨烯晶圓級(jí)石墨烯研究受到各國(guó)重視美國(guó)國(guó)防先進(jìn)技術(shù)研究局（DARPA）于

2007年公布了預(yù)算為三千萬美元的射頻應(yīng)用的碳電子學(xué)（CarbonElectronicsforRFApplications(CERA)）計(jì)劃（BAA07-50）。該計(jì)劃的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)晶圓級(jí)的石墨烯材料和超低功耗和超高速度的石墨烯基電子器件。2009年7月，德國(guó)研究基金會(huì)發(fā)布了名為“石墨烯”的優(yōu)先研究計(jì)劃，在石墨烯材料、機(jī)理和應(yīng)用等方面開展廣泛的研究。我國(guó)最近發(fā)布的重大科學(xué)研究計(jì)劃也把碳基電子器件列為研究重點(diǎn)晶圓級(jí)石墨烯晶圓級(jí)石墨烯的研究重點(diǎn)超聲輔助微機(jī)械剝離HOPG工藝SiC襯底高溫?zé)峤鈱訑?shù)的精確控制不同原子終止面的均勻性問題CVD外延提高均勻性缺陷控制襯底轉(zhuǎn)移技術(shù)MOCVD法——過渡族金屬淀積技術(shù)晶圓級(jí)石墨烯目前研究進(jìn)展超聲輔助剝離工藝，未見相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道機(jī)械剝離工藝Nanotechnology19(2008)455601采用此工藝可得到大面積、平整的石墨烯，注意圖中無缺陷的石墨烯面積>100μm2晶圓級(jí)石墨烯SiC襯底熱分解2009年，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校Konstantin等人報(bào)道晶圓級(jí)石墨烯SiC(0001)GrapheneLEEMAnnealedinArLEEMNatureMaterials,2009,8(3):203~207晶圓級(jí)石墨烯CVD外延

目前，采用Au、Ag、Pt、Cu、Fe、Co、Ni、Ir、Ru等過渡族金屬催化CVD法制備石墨烯均有報(bào)道。但是，C與金屬固溶量，制約著石墨烯的層數(shù)；而金屬晶界缺陷則制約著石墨烯的面積。

對(duì)于Fe、Ni、Ir等C固溶量大的金屬，如何精確控制層數(shù)成為關(guān)鍵；而對(duì)于Pt、Cu等C固溶量小的金屬則要進(jìn)一步減小晶界對(duì)石墨烯均勻性的不利影響。

晶圓級(jí)石墨烯2009年美國(guó)Texas大學(xué)的XuesongLi等人在25um厚的銅箔上，采用CVD的方法制備出直徑300mm的石墨烯，其中單層石墨烯超過95%，并且克服了銅晶界影響實(shí)現(xiàn)大面積連續(xù)；雙柵FET場(chǎng)致電子遷移率4050cm2V-1s-1。SEM圖樣A1minB2.5minC10minD60minScience,2009,324(6):1312-1314晶圓級(jí)石墨烯SAMSUNG晶圓級(jí)石墨烯2009年，美國(guó)Rutgers大學(xué)的HisatoYamaguchi等人，采用spincoating的方法晶圓級(jí)石墨烯進(jìn)展

已經(jīng)突破大尺寸限制，層數(shù)在一定范圍可控，成品率較高；存在問題

層數(shù)控制仍是難題，缺陷還需要進(jìn)一步降低；今后發(fā)展

層數(shù)可控性，4~12英寸(CVD)，2~6英寸(SiC)；CMOS和高頻器件；其它用途。個(gè)人對(duì)于石墨烯項(xiàng)目的思考關(guān)于石墨烯的研究重點(diǎn)相關(guān)設(shè)備(MOCVD)石墨烯材料與GaN基寬帶隙半導(dǎo)體材料有明顯差異，由CVD外延拓展到MOCVD外延，對(duì)于設(shè)備提出更高的要求(精度、可控性)，尤其是過渡族金屬的淀積和石墨烯的形成兩個(gè)關(guān)鍵步驟的可控性。個(gè)人對(duì)于石墨烯項(xiàng)目的思考反應(yīng)室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

適合晶圓級(jí)石墨烯生長(zhǎng)過渡族金屬茂的選擇

盡量選取C固溶度小的過渡族金屬