超越透明胶带-研究级CVD石墨烯的可扩展转移

摘要：自2008年以来，基于化学气相沉积（CVD）的可扩展石墨烯合成技术已得到广泛应用，但需要持续高品质材料的基础研究仍依赖于剥离石墨烯。本文，哥伦比亚大学James Hone等研究人员在《Nano Lett》期刊发表名为“Moving Beyond Scotch

1成果简介

自2008年以来，基于化学气相沉积（CVD）的可扩展石墨烯合成技术已得到广泛应用，但需要持续高品质材料的基础研究仍依赖于剥离石墨烯。本文，哥伦比亚大学James Hone等研究人员在《Nano Lett》期刊发表名为“Moving Beyond Scotch Tape: Scalable Transfer of Research-Grade CVD Graphene”的论文，研究采用蒸发镍技术，将超高品质的CVD石墨烯从Cu(111)基底转移为连续薄膜或预定义形状的阵列。通过精确控制蒸发条件，避免了对石墨烯的损伤，从而保持其固有品质。该干式转移工艺最大限度降低了应变与掺杂。经六方氮化硼封装后，CVD生长石墨烯展现出与顶级剥离石墨烯器件相当的低温磁输运特性。通过堆叠CVD生长石墨烯，可制备扭转紊乱度极低的神奇角扭曲双层石墨烯。这些成果证明，CVD生长石墨烯甚至能替代剥离片材，满足最严苛的应用需求。

2图文导读

图1. 镍辅助的大面积/图案化石墨烯薄膜转移至SiO₂/Si基底。a，镍辅助化学气相沉积石墨烯转移示意图： (1) 在生长后的Gr/Cu(111)表面蒸镀Ni层(2) 在金属表面旋涂聚丙烯碳酸酯(PPC)层及热敏剥离胶带(TRT)，实现PPC/Ni/Gr层从Cu基底剥离 (3) 层压至SiO₂/Si基底，清除TRT/PPC残留物，并用盐酸蚀刻Ni膜。b. 转移至SiO₂/Si的大面积石墨烯薄膜光学图像。图(b)插图为放大视图，显示石墨烯薄膜无褶皱、无附加层且无空隙。c-d，分别采用透射电子显微镜网格和SiNx/Si阴影掩模转移至SiO2/Si基底的石墨烯方形与冠状图案光学图像。e，天然Gr-SiO2阶梯的AFM图像，其高度为0.34纳米，表明石墨烯表面无残留。f-g，具有代表性的超平整石墨烯方形与冠状图案的AFM图像。

图2. 硅二氧化物/硅基底上化学气相沉积石墨烯薄膜的掺杂与应变抑制。

图3. 镍转移石墨烯薄膜的输运特性。

图4. 采用镍转移石墨烯制备魔角CVD单层黑磷石墨烯。

3小结

这些发现标志着一个关键临界点：在基础研究领域，化学气相沉积法生长的石墨烯已不存在可察觉的劣势。事实上，镍转移石墨烯中的低应变紊乱对组装摩尔异质结构具有优势，并能提升量子霍尔响应——因为应变梯度会在石墨烯中诱导出赝磁场。

除了节省时间和精力之外，与剥落石墨烯相比，单晶 CVD 石墨烯的使用还具有多种实际优势，包括确定性形状控制和明确的晶体取向。剥离石墨烯本质上是随机的和尺寸有限的，而这种 CVD 平台可以大面积生产高性能石墨烯，为集成到先进设备架构中铺平道路。利用预定义的石墨烯阵列还将简化机器人异质结构组装的过程。为了实现研究级石墨烯器件的可扩展制造，剩下的关键挑战是将 hBN 介电层“超越透明胶带”。这一挑战可以通过继续提高 hBN 薄膜的质量或利用大规模剥离来解决来自高质量的单晶。或者，其他低无序电介质可以为许多应用提供足够的质量。

文献：