石墨烯基本知识

1、石墨烯,王东 2010年10月,调研报告的主要内容,石墨烯的基本知识 石墨烯的研究进展 晶圆级石墨烯 本人对该项目的若干建议,石墨烯的基本知识,C元素的同素异形体,石墨（Graphite）层状结构，每一层中的碳按六方环状排列，上下相邻层通过平行网面方向相互位移后再叠置形成层状结构，位移的方位和距离不同就导致不同的多型结构。,金刚石（Diamond）四面体结构，四个碳原子占据四面体的顶点。,石墨烯的基本知识,富勒烯（Fullerene）,C60球棍模型,1985年，英国化学家哈罗德沃特尔克罗托博士和美国科学家理查德斯莫利等人在氦气流中以激光汽化蒸发石墨实验中首次制得由60个碳组成的碳原子簇结构分

2、子C60。克罗托获得1996年度诺贝尔化学奖。 随后又陆续发现C70等一系列由非平面的五元环、六元环等构成的封闭式空心球或椭球结构的共轭烯结构，以建筑学家富勒命名为富勒烯。,石墨烯的基本知识,纳米碳管(Carbon Nanotube) 在1991年日本NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家饭岛(Iijima)在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时，意外发现了由管状的同轴纳米管组成的碳分子,这就是现在被称作的“Carbon Nanotube”，即碳纳米管,又名巴基管。 碳纳米管一般分为单壁(右上)和多壁（右下）两种。,石墨烯的基本知识,石墨烯(Graphene) 2004

3、年，曼彻斯特大学Geim教授、Novoselov博士和同事以微机械剥离法剥离层状石墨，发现了二维碳原子平面结构石墨烯。,高分辨STM图片 a) 石墨 b) 单层石墨烯,3个C原子,6个C原子,石墨烯的基本知识,石墨烯的发现推翻了所谓“热力学涨落不允许二维晶体在有限温度下自由存在”*的原有认知，震撼了整个物理界。因此其发现者A. K. Geim和K. S. Novoselov获得了2008年诺贝尔物理学奖的提名。 * Novoselov K S, Geim A K, Firsov A A. Science, 2004, 306:666-669.,石墨烯的基本知识,A. K. Geim和K. S.

4、 Novoselov已获2010年诺贝尔物理奖,石墨烯的基本知识,什么是石墨烯？ 石墨烯英文Graphene，命名来自英文graphite+ -ene，是一种由C原子经sp2电子轨道杂化后形成的蜂巢状的准二维结构，是C元素的另外一种同素异形体。 A.K. Geim教授认为，我们所熟知的石墨、纳米碳管和富勒烯等C的3维结构，是由单层石墨烯(SG)经过某种形变而形成的。,石墨烯的基本知识,单层 石墨烯,富勒烯,纳米碳管,石墨,A K Geim & K S Novoselov. Nature Materials, 2007, 6:183-191.,石墨烯的基本知识,石墨烯的稳定性 由于完美二维晶体不

5、能在有限温度下稳定存在，近期理论模拟和透射电镜实验结果给出了可能的解释，即石墨烯平面上存在纳米级别的微观扭曲。,Nano Letters, 2009, 9(5): 2129-2132,石墨烯在聚合物中的相变。 a) 加热前； b) 加热后,石墨烯的基本知识,石墨烯的种类,Single-layer Graphene(SG),Bi-layer Graphene(BG),Few-layer Graphene(FG) （层数100m2,晶圆级石墨烯,SiC衬底热分解 2009年，美国加州大学伯克利分校Konstantin等人报道晶圆级石墨烯,SiC(0001) Graphene LEEM Anneal

6、ed in Ar LEEM,Nature Materials, 2009, 8(3):203207,晶圆级石墨烯,CVD外延 目前，采用Au、Ag、Pt、Cu、Fe、Co、Ni、Ir、Ru等过渡族金属催化CVD法制备石墨烯均有报道。但是，C与金属固溶量，制约着石墨烯的层数；而金属晶界缺陷则制约着石墨烯的面积。 对于Fe、Ni、Ir等C固溶量大的金属，如何精确控制层数成为关键；而对于Pt、Cu等C固溶量小的金属则要进一步减小晶界对石墨烯均匀性的不利影响。,晶圆级石墨烯,2009年美国Texas大学的Xuesong Li等人在25um厚的铜箔上，采用CVD的方法制备出直径300mm的石墨烯，其中单

7、层石墨烯超过95%，并且克服了铜晶界影响实现大面积连续；双栅FET场致电子迁移率4050 cm2V-1s-1。,SEM图样 A 1min B 2.5min C 10min D 60min,Science, 2009, 324(6): 1312-1314,晶圆级石墨烯,SAMSUNG,晶圆级石墨烯,2009年，美国Rutgers大学的Hisato Yamaguchi等人，采用spin coating的方法,晶圆级石墨烯,进展 已经突破大尺寸限制，层数在一定范围可控，成品率较高； 存在问题 层数控制仍是难题，缺陷还需要进一步降低； 今后发展 层数可控性，412英寸(CVD)，26英寸(SiC)；C

8、MOS和高频器件；其它用途。,个人对于石墨烯项目的思考,关于石墨烯的研究重点 相关设备(MOCVD) 石墨烯材料与GaN基宽带隙半导体材料有明显差异，由CVD外延拓展到MOCVD外延，对于设备提出更高的要求(精度、可控性)，尤其是过渡族金属的淀积和石墨烯的形成两个关键步骤的可控性。,个人对于石墨烯项目的思考,反应室结构设计 适合晶圆级石墨烯生长 过渡族金属茂的选择 尽量选取C固溶度小的过渡族金属，比如Cu、Pt等 关键工艺 气压、流量、温度、升/降温速率等因素，直接影响石墨烯的均匀性和层数。,个人对于石墨烯项目的思考,Cu-C合金相图,个人对于石墨烯项目的思考,Fe-C合金相图,个人对于石墨烯

9、项目的思考,Cr-C合金相图,个人对于石墨烯项目的思考,Ni-C合金相图,个人对于石墨烯项目的思考,Ir-C合金相图,个人对于石墨烯项目的思考,Ru-C合金相图,个人对于石墨烯项目的思考,Pt-C合金相图,个人对于石墨烯项目的思考,Au-C合金相图,个人对于石墨烯项目的思考,晶圆级石墨烯,MOCVD或者CVD外延，是最有希望实现晶圆级石墨烯的途径之一，为实现层数精确控制，必须精心选择过渡族金属，主要关注其与C的固溶度，以及金属膜厚度的问题。 从相图中可以看出，Cu、Pt、Ir和Ru等金属与C在1000 左右的固溶度相对较小，相对于C固溶度较大的金属来说，其C的固溶量容易控制，而C的固溶量决定着

10、外延的石墨烯厚度（层数）。,个人对于石墨烯项目的思考,理论方面 石墨烯的能带调整（Dirac点）、输运特性、光学和磁学性质等研究方向，我们不具优势。 但是，石墨烯的掺杂方面，也许可以进行一些探索。只是担心缺乏理论指导，只能进行工艺方面的探索。,个人对于石墨烯项目的思考,器件方面 结合我们的GaN基HEMT器件，石墨烯研究可以做两方面的工作：一是开展以石墨烯为沟道层的器件研制工作，此项工作要以带隙调制为基础；二是开展以石墨烯作为透明电极的研究工作。,个人对于石墨烯项目的思考,晶圆级石墨烯方面 SiC高温热解 在现有研究基础上，进一步探索石墨烯的层数控制和缺陷抑制机制，实现3英寸晶圆级石墨烯 CVD外延(包括MOCVD) 探索提高均匀性、层数精确控制的机理，特别是结合1课题，实现4英寸以上晶圆级石墨烯,个人对于石墨烯项目的思考,石墨烯的其它应用方面的探索 传感器 晶体管 发光器件？ 太赫兹 光伏 因为石墨烯是新材料，随着研究的深入，是否存在新的研究方向和应用前景，必须加以关注。,个人对于石墨烯项目的思考,必须重视应用平台 基础研究 已经参加微电子所牵头的两个项目申请，“自然科学基金”重大专项和“973”，后续项目如何申请 石墨烯基HEMT 国外已经开始研