研究人员正在消除石墨烯的皱纹

从电子的角度来看，石墨烯一定是一个令人毛骨悚然的惊险之旅。多年来，科学家们已经观察到，电子可以以接近光速的速度穿过石墨烯，远远快于它们穿过硅和其他半导体材料的速度。

因此，石墨烯被吹捧为硅的有前途的继任者，具有实现更快，更高效的电子和光子器件的潜力。

制造原始的石墨烯——一个单一的、完全平坦的、超薄的碳原子片，像铁丝网一样精确地排列和连接在一起——是极其困难的。传统的制造工艺通常会产生皱纹，这会使电子的子弹列车旅程脱轨，严重限制石墨烯的电气性能。

麻省理工学院的工程师们已经找到了一种方法，使石墨烯的皱纹更少，并且可以熨平出现的皱纹。在制造并压平石墨烯之后，研究人员测试了它的导电性。他们发现每片晶圆都表现出均匀的性能，这意味着电子以相似的速度在每片晶圆上自由流动，即使在以前起皱的区域也是如此。

在一篇发表于美国国家科学院院刊研究人员报告说，他们的技术成功地生产出了晶圆级的“单畴”石墨烯——原子排列和电子性能都是均匀的单层石墨烯。

麻省理工学院机械工程和材料科学与工程系1947届职业发展助理教授Jeehwan Kim说:“石墨烯要想成为工业上的主要半导体材料，它必须是单一领域的，这样，如果你在它上制造数百万个设备，这些设备在任何地方的性能都是一样的。”“现在我们真的可以在晶圆规模上生产单畴石墨烯了。”

金的合著者包括麻省理工学院的Sanghoon Bae、Samuel Cruz和Yunjo Kim，以及IBM、加州大学洛杉矶分校和韩国庆北国立大学的研究人员。

皱纹的拼凑

制造石墨烯最常见的方法是化学气相沉积，即CVD，这是一种将碳原子沉积在铜箔等晶体基底上的过程。一旦铜箔均匀地涂上一层碳原子，科学家们就把整个铜箔浸入酸中，以蚀刻掉铜。剩下的是一片石墨烯，然后研究人员将其从酸中取出。

CVD工艺可以在石墨烯中产生相对较大的宏观皱纹，这是由于底层铜本身的粗糙度以及将石墨烯从酸中拉出的过程。碳原子在石墨烯上的排列并不均匀，形成了一种“多晶”状态，石墨烯类似于一个不均匀的、拼凑的地形，阻止了电子以均匀的速率流动。

2013年，在IBM工作期间，Kim和他的同事开发了一种制造单晶石墨烯晶圆的方法，其中碳原子的取向在整个晶圆中完全相同。

他的团队没有使用化学气相沉积法，而是从具有原子光滑表面的碳化硅晶圆上生产出单晶石墨烯，尽管在几纳米量级上有微小的阶梯状皱纹。然后，他们用一层薄薄的镍从碳化硅晶圆上剥离最上面的石墨烯，这一过程被称为层分解石墨烯转移。

熨烫的指控

在他们的新论文中，Kim和他的同事们发现，层分解石墨烯转移消除了碳化硅制造的石墨烯中的台阶和微小的皱纹。在将石墨烯层转移到硅片上之前，研究小组对硅进行氧化，形成一层自然表现出静电荷的二氧化硅。当研究人员随后沉积石墨烯时，二氧化硅有效地将石墨烯的碳原子拉到晶圆上，使其台阶和皱纹变得平坦。

金教授表示，这种熨烫方法不适用于CVD制造的石墨烯，因为CVD产生的皱纹要大得多，大约有几微米。

“CVD工艺产生的皱纹太高，无法熨平，”金说。“对于碳化硅石墨烯，皱纹只有几纳米高，足够短，可以变平。”

为了测试扁平的单晶石墨烯晶圆是否为单畴，研究人员在每片晶圆上的多个位置制造了微型晶体管，包括之前皱褶的区域。

“我们测量了整个晶圆的电子迁移率，它们的性能是可比的，”Kim说。“更重要的是，铁石墨烯的迁移速度快了两倍。所以现在我们真的有了单畴石墨烯，它的电学质量比(石墨烯附着的碳化硅)高得多。”

Kim说，虽然将石墨烯用于电子产品仍然存在挑战，但该小组的研究结果为研究人员提供了一个蓝图，说明如何在晶圆规模上可靠地制造原始的、单畴的、无褶皱的石墨烯。

“如果你想用石墨烯制造任何电子设备，你需要使用单畴石墨烯，”金说。“用石墨烯制造可操作晶体管还有很长的路要走。但我们现在可以展示如何制造单晶、单畴石墨烯的社区指南。”

麻省理工学院(MIT)

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- Chris Vavra编辑，制作编辑，控制工程、《媒体,cvavra@cfemedia.com。查看更多控制工程能源和能源新闻。

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