上海微系统所实现AB堆垛双层石墨烯的快速生长

    在02国家重大专项的支持下，中国科学院上海微系统与信息技术研究所在石墨烯研究中取得新进展：采用铜蒸气辅助，在Cu-Ni合金衬底上实现AB堆垛双层石墨烯（ABBG）的快速生长，典型单晶畴尺寸约300微米，生长时间约10分钟，速度比现有报道提高约一个数量级。研究论文于2月24日在small 上在线发表（C. Yang, et al., Copper-Vapor-Assisted Rapid Synthesis of Large AB-Stacked Bilayer Graphene Domains on Cu-Ni Alloy, DOI: 10.1002/smll.201503658）。

    ABBG可以通过电场产生可调带隙，对于石墨烯在逻辑器件及光电子器件等方向的应用具有重要价值，但如何快速生长大晶畴ABBG仍然是一个亟待解决的技术难题。传统Cu衬底上的表面催化机理由于自限制效应严重阻碍了第二层石墨烯的生长，而Ni衬底上的溶解析出机制存在层数不均、晶核大小难以控制等难题。

    上海微系统所石墨烯研究团队近期采用Cu-Ni合金在国际上首次报道了1.5英寸石墨烯单晶的超快生长，论文在Nature Material上发布 (DOI: 10.1038/nmat4477)。在此基础上，通过引入铜蒸气，实现了大晶畴ABBG的快速生长。铜蒸气的参与降低了Cu-Ni合金衬底表面第一层石墨烯的生长速度，提高了融入衬底的活性碳原子浓度，而融入衬底的碳原子通过等温析出形成了和第一层石墨烯具有严格取向关系的大晶畴ABBG。与现有文献相比，Cu蒸汽和Cu-Ni合金的协同效应将ABBG的生长速度提高约一个数量级。该研究为ABBG的规模制备打通了一条重要的技术路径，为探索AB堆垛双层石墨烯在微电子和光电子器件方向的应用奠定了基础。

图1 上海微系统所实现AB堆垛双层石墨烯的快速生长