面向集成電路的大尺寸單晶石墨烯的可控制備方法

李昕,張娟,李全福,楚朋志,王小力,劉衛(wèi)華

(西安交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院,710049,西安)

面向集成電路的大尺寸單晶石墨烯的可控制備方法

李昕,張娟,李全福,楚朋志,王小力,劉衛(wèi)華

(西安交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院,710049,西安)

提出一種采用化學(xué)氣相沉積工藝進(jìn)行大面積單晶結(jié)構(gòu)石墨烯島的可控制備方法。在Ar環(huán)境中通過(guò)控制退火時(shí)間、生長(zhǎng)溫度來(lái)控制石墨烯島的成核密度和生長(zhǎng)形態(tài);采用FeCl3溶液對(duì)襯底表面預(yù)處理并調(diào)控H2與CH4的流量比來(lái)改善石墨烯島的分形;延長(zhǎng)生長(zhǎng)時(shí)間來(lái)擴(kuò)大單晶石墨烯島尺寸。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該制備方法可以控制石墨烯具有四邊形、六邊形、搭疊形等不同形態(tài),可以控制四邊形石墨烯由狹長(zhǎng)型、燕翅型、蝴蝶型最終過(guò)渡到飽滿的無(wú)分形結(jié)構(gòu)的正方形形態(tài),可以將六邊形石墨烯島尺寸從幾十微米擴(kuò)大到200微米以上,并且得到雙層搭疊型六邊形石墨烯;采用該方法生長(zhǎng)出來(lái)的單晶石墨烯可以避免連續(xù)多晶石墨烯的邊界散射效應(yīng),保持較高的遷移率,且尺寸較大,具有單原子層結(jié)構(gòu)和不同的生長(zhǎng)形態(tài),解決了集成電路所需要的百微米以上量級(jí)的單晶結(jié)構(gòu)、晶格取向一致的石墨烯的制造問(wèn)題。

石墨烯;納米晶體管;集成電路;可控制備;雙層搭疊

石墨烯是具有六角晶格結(jié)構(gòu)的二維原子晶體,有很高的載流子遷移率[1-2]。許多科研團(tuán)隊(duì)嘗試以石墨烯代替硅做為納米尺度晶體管的導(dǎo)電溝道,克服窄溝道效應(yīng),以期得到更高的飽和電流、更快的頻率和更低的功耗[3-4]。然而,要想將石墨烯用于晶體管和集成電路,就需要制備出大面積(百微米量級(jí))、單晶結(jié)構(gòu)、晶格取向一致的石墨烯。目前單晶石墨烯的制備方法主要有機(jī)械剝離法、SiC外延生長(zhǎng)法、化學(xué)氣相沉積法(CVD)等。機(jī)械剝離法的缺點(diǎn)是可控性差,SiC外延法的缺點(diǎn)是制備成本太高。相比于其他兩種方法,CVD法制備石墨烯具有制備成本低、對(duì)石墨烯的生長(zhǎng)形態(tài)可控性高及生長(zhǎng)工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。正是這些優(yōu)點(diǎn)使得基于金屬襯底的CVD法在眾多制備方法中脫穎而出,成為當(dāng)前制備單晶石墨烯最有效的方法之一[5-7]。

目前CVD法制備單晶石墨烯(石墨烯島)主要面臨的挑戰(zhàn)是難以實(shí)現(xiàn)大尺寸和形態(tài)可控生長(zhǎng)。大尺寸是指百微米量級(jí)以上,因?yàn)橹挥羞@個(gè)量級(jí)的單晶石墨烯島才能使得石墨烯晶體管集成電路的實(shí)現(xiàn)成為可能。目前報(bào)道中單晶石墨烯島的尺寸雖然有望接近百微米量級(jí),但是在生長(zhǎng)形態(tài)上有缺陷,如分形嚴(yán)重導(dǎo)致遷移率低[8-10]等。此外,生長(zhǎng)形態(tài)還涉及到生長(zhǎng)形狀、層數(shù)、邊界形態(tài)、尺寸大小、晶格取向等幾個(gè)方面[8,11]。這些因素不僅影響石墨烯的遷移率,而且影響邊界效應(yīng)以及接觸特性,關(guān)系到石墨烯晶體管集成電路的各項(xiàng)性能指標(biāo),所以本文將主要研究CVD法工藝參數(shù)如生長(zhǎng)溫度、生長(zhǎng)時(shí)間、氣體流量、退火時(shí)間和退火氣體等對(duì)石墨烯尺寸大小、分形形態(tài)、幾何形態(tài)和搭疊生長(zhǎng)的控制關(guān)系,通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析,嘗試探討石墨烯的可控生長(zhǎng)規(guī)律,為石墨烯用于納米尺度晶體管構(gòu)造的集成電路打下實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)。

1 單晶石墨烯的生長(zhǎng)原理及實(shí)驗(yàn)

為得到單層單晶石墨烯(也稱為石墨烯島),采用低壓化學(xué)氣相沉積法(CVD),在高溫下以CH4為碳源、H2為保護(hù)氣體和刻蝕氣體來(lái)制備石墨烯。生長(zhǎng)設(shè)備裝置如圖1a所示,主要組成部分包括反應(yīng)腔室和加熱系統(tǒng)、氣路控制系統(tǒng)、腔室真空控制系統(tǒng)。圖1b為管式爐生長(zhǎng)石墨烯的全程溫度-時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系圖。升溫階段是從室溫升到設(shè)定的反應(yīng)溫度1 077℃,該過(guò)程需要大約40min,是一個(gè)快速加熱的過(guò)程。退火階段在一定范圍內(nèi)如30min到3 h內(nèi)有變化。實(shí)驗(yàn)中的設(shè)定范圍是30min到2 h。最后的快速降溫階段在15 min之內(nèi)。

(a)石墨烯生長(zhǎng)設(shè)備裝置圖

(b)石墨烯生長(zhǎng)過(guò)程溫度-時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

實(shí)驗(yàn)中采用銅箔作為襯底和催化劑。因?yàn)殂~對(duì)碳源的固溶度較低,碳源CH4生長(zhǎng)為石墨烯的過(guò)程僅發(fā)生在襯底表面。當(dāng)襯底表面生長(zhǎng)出單層石墨烯之后,便沒(méi)有裸露的銅箔表面,碳源CH4不再受銅箔的催化作用而繼續(xù)裂解,也就無(wú)法再繼續(xù)生長(zhǎng)出更多層的石墨烯,這種現(xiàn)象被稱為銅箔的自限制效應(yīng)[8]。因此,采用銅箔作為生長(zhǎng)襯底容易獲得單層石墨烯。由于購(gòu)買的銅箔(Alfa Aesar公司,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.8%)表面不平整或者缺陷較多,所以要在生長(zhǎng)之前進(jìn)行預(yù)處理和高溫退火。預(yù)處理包括對(duì)銅箔表面進(jìn)行清潔化和平整化處理,涉及到銅箔的清洗以及銅箔的電化學(xué)拋光。高溫退火是銅箔表面在高溫條件下的一個(gè)重結(jié)晶過(guò)程,退火氣體一般為Ar或H2或二者的混合氣體[12]。本文中采用了Ar退火,這是因?yàn)橥嘶疬^(guò)程中,Ar流量較高會(huì)提高原子在銅箔表面的移動(dòng)速度,更利于銅箔表面的修復(fù)。

為了探討生長(zhǎng)溫度、生長(zhǎng)時(shí)間、退火氣體、退火時(shí)間、氣體比例等因素對(duì)石墨烯生長(zhǎng)過(guò)程的影響,本文做了大量的對(duì)比實(shí)驗(yàn),并對(duì)所生長(zhǎng)的石墨烯進(jìn)行了表征,所使用的設(shè)備有場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(JSM-6700和S4000-F)、三維光學(xué)顯微鏡(LEXT OLS4000)和共聚焦拉曼光譜系統(tǒng)(LabramHR800)。從表征結(jié)果中發(fā)現(xiàn),石墨烯雖然為六角晶格的結(jié)構(gòu),但實(shí)驗(yàn)生長(zhǎng)出來(lái)的石墨烯單晶不僅呈現(xiàn)六邊形的狀態(tài),也呈現(xiàn)出四邊形、互相搭疊等不規(guī)則形態(tài)。

2 結(jié)果及討論

2.1 四邊形石墨烯島的生長(zhǎng)工藝控制及分析

生長(zhǎng)石墨烯一般需要較高的溫度,這樣可以減少表面缺陷并提高表面吸附的碳與晶核邊界的合并速度。四邊形石墨烯島一般在生長(zhǎng)溫度為1 000℃的情況下出現(xiàn)。溫度較低時(shí),銅箔表面為固態(tài),表面吸附的碳與晶核邊界的合并速度緩慢,在這個(gè)緩慢的合并過(guò)程中,會(huì)有外界因素對(duì)石墨烯島的生長(zhǎng)造成影響,而阻礙了它向完美六邊形的演變。CH4與H2的流量比p=FCH4/FH2(其中FCH4為CH4的流量,FH2為H2的流量)也會(huì)影響石墨烯的形態(tài)。不同形態(tài)的四邊形石墨烯島的生長(zhǎng)工藝參數(shù)如表1所示。四邊形的生長(zhǎng)形態(tài)主要包括兩類：第一類是有分形結(jié)構(gòu)的四邊形,如圖2a的狹長(zhǎng)四邊形,圖2b的燕翅四邊形和圖2c的蝴蝶四邊形;第二類是無(wú)分形結(jié)構(gòu)的正方形石墨烯島,如圖2d所示。

表1 四邊形石墨烯島的生長(zhǎng)工藝控制參數(shù) (生長(zhǎng)溫度均為1 000℃)

圖2a所示的狹長(zhǎng)型的結(jié)構(gòu)較為特殊,從SEM照片可見(jiàn)石墨烯的生長(zhǎng)產(chǎn)生了單一方向的限制,使得石墨烯朝著某一個(gè)方向生長(zhǎng)速度較快。銅箔襯底為多晶結(jié)構(gòu),存在晶粒晶界,在每個(gè)晶界內(nèi)的四邊形石墨烯島的取向是一致的,而與相鄰晶界的生長(zhǎng)取向不一致。從表1觀察發(fā)現(xiàn),狹長(zhǎng)四邊形的CH4和H2的流量比p非常小,比另外3種情況都小得多。在如此偏壓比條件下容易得到狹長(zhǎng)形的四邊形石墨烯島。當(dāng)p提高一個(gè)數(shù)量級(jí)(如表1的b、c、d這3種情況)時(shí),得到的四邊形較為對(duì)稱,各個(gè)方向的生長(zhǎng)速度比較一致。但是,圖2b燕翅形和圖2c蝴蝶形具有分形結(jié)構(gòu),與圖2a的狹長(zhǎng)形類似。分形結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)與H2的流量有關(guān)系,H2的供給一方面有助于碳還原幫助石墨烯島的生長(zhǎng),另一方面又會(huì)對(duì)生長(zhǎng)出來(lái)的石墨烯島進(jìn)行刻蝕,而阻止石墨烯島的繼續(xù)生長(zhǎng)。圖2a的狹長(zhǎng)形對(duì)應(yīng)的p最小,石墨烯島的刻蝕最為明顯,而表1中后3種情況的p值較接近,在同一數(shù)量級(jí),所獲得的石墨烯具有較為對(duì)稱的結(jié)構(gòu)。

(a)狹長(zhǎng)形石墨烯島的SEM照片

(b)燕翅形石墨烯島的SEM照片

(c)蝴蝶形石墨烯島的SEM照片

(d)正方形石墨烯島的SEM照片

特別值得注意的是,如果僅僅改變流量比,雖然可以控制四邊形的長(zhǎng)寬比,但是無(wú)法減小其分形狀態(tài)。從表1中看出,4種樣品的處理中還有一個(gè)明顯不同,即在襯底的處理中是否滴涂FeCl3。為了提高碳的供給量,改善分型結(jié)構(gòu),采用Fe顆粒作為催化劑,在銅箔襯底滴涂FeCl3溶液,制作Fe(OH)3溶膠,通過(guò)Fe(OH)3來(lái)還原獲得Fe顆粒,以此在銅箔表面引入更多的由缺陷導(dǎo)致的生長(zhǎng)位,使得表面上的碳原子更容易吸附,而不易移動(dòng),有利于減小分形,得到更加完整的無(wú)分形結(jié)構(gòu)的正方形石墨烯島(如圖2d所示)。

2.2 六邊形石墨烯島的生長(zhǎng)工藝及結(jié)果

當(dāng)生長(zhǎng)溫度提高到1 077℃時(shí),接近銅的熔點(diǎn),銅箔表面呈現(xiàn)液態(tài),表面吸附的碳與晶核邊界的合并速度很快,有利于實(shí)現(xiàn)從六邊形碳晶核向著六邊形石墨烯島的演變。在此溫度下得到了六邊形石墨烯島(雪花狀石墨烯)如圖3所示。與四邊形石墨烯島類似,碳原子表面擴(kuò)散速度同樣會(huì)影響六邊形石墨烯島的分形,擴(kuò)散越快,分形越明顯。H2除了對(duì)CH4有裂解作用和對(duì)石墨烯有刻蝕作用外,H2流量較大,還可以提高原子表面的擴(kuò)散速度,所以CH4與H2的流量比p越小,分形就越明顯[8,12]。

圖3 1 077℃時(shí)生長(zhǎng)的石墨烯單晶的六邊形形態(tài)SEM圖

一般而言,CH4與H2的流量比p較小時(shí),H2對(duì)石墨烯島的刻蝕作用較明顯,分形也就較明顯。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),通過(guò)控制p值,可以改善石墨烯的分形形態(tài),得到較為對(duì)稱的六邊形石墨烯島。當(dāng)p值為0.1/100時(shí),可以得到無(wú)分形結(jié)構(gòu)的六邊形石墨烯島。于是,本文在此基礎(chǔ)上研究擴(kuò)大石墨烯島尺寸的方法。

要生長(zhǎng)大面積單晶的六邊形石墨烯島,本實(shí)驗(yàn)選擇在1 077℃的高溫生長(zhǎng)石墨烯,在此溫度下銅箔表面接近熔融狀態(tài),有利于碳源在銅表面的快速擴(kuò)散。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn):當(dāng)退火氛圍、退火時(shí)間、生長(zhǎng)溫度和p均固定時(shí),通過(guò)延長(zhǎng)生長(zhǎng)時(shí)間可以擴(kuò)大石墨烯島的尺寸大小到百微米量級(jí)。石墨烯晶核為正六邊形,所以在理想條件下生長(zhǎng)的單晶石墨烯島應(yīng)該是完美六邊形。但是,在生長(zhǎng)初期,以中心為生長(zhǎng)點(diǎn),沿著正六邊形6個(gè)頂點(diǎn)的生長(zhǎng)速度與沿垂直于正六邊形的6個(gè)邊的生長(zhǎng)速度不同,所以會(huì)產(chǎn)生六邊形的分形形態(tài),而破壞完美六邊形(正六邊形)。在此尺寸下肉眼可見(jiàn),所以實(shí)驗(yàn)中采用3D光學(xué)顯微鏡來(lái)觀察。圖4給出了生長(zhǎng)時(shí)間分別為0.5、1、1.5和2 h這4種不同情況下的石墨烯島的光學(xué)顯微照片,均呈現(xiàn)出對(duì)稱結(jié)構(gòu)的六邊形形態(tài),與之對(duì)應(yīng)的生長(zhǎng)工藝參數(shù)如表2所示。相同的工藝參數(shù)有:退火氛圍Ar,100mL/min;退火時(shí)間3 h;生長(zhǎng)溫度1 077℃;p為0.1/100。唯一不同的工藝參數(shù)是生長(zhǎng)時(shí)間。

表2 不同尺寸六邊形的生長(zhǎng)工藝參數(shù)

從表2中可見(jiàn),石墨烯對(duì)角尺寸從50μm逐漸增至200μm以上。石墨烯島在銅箔襯底上為六邊形形態(tài),呈現(xiàn)出完美無(wú)分形結(jié)構(gòu)的雪花狀。從3D光學(xué)顯微鏡照片中還觀察到一個(gè)有趣的現(xiàn)象,六邊形的中心部位較為凸起,高度沿著六角方向逐漸下降。隨著生長(zhǎng)尺寸增大,這種凸起的現(xiàn)象更加明顯。當(dāng)石墨烯尺寸為200μm(如圖4d所示),中心部位凸起猶如撐開(kāi)的雨傘。這是因?yàn)槭┰谝簯B(tài)銅箔表面生長(zhǎng)時(shí),隨著碳源在表面團(tuán)聚成石墨烯的同時(shí),銅也在揮發(fā),導(dǎo)致銅箔表面高度下降。但是,隨著石墨烯尺寸的增大,被石墨烯覆蓋的銅表面的揮發(fā)被抑制。所以,石墨烯成核中心處的銅表面揮發(fā)最先被抑制,揮發(fā)量少則高度最高,而六邊形最遠(yuǎn)處的銅表面裸露時(shí)間最長(zhǎng),揮發(fā)量最大則高度最低。這樣就導(dǎo)致了石墨烯島中心凸起較高而六角下降的現(xiàn)象。

(a)生長(zhǎng)時(shí)間為30min(石墨烯島的最大尺寸為50μm)

(b)生長(zhǎng)時(shí)間為1 h((石墨烯島的最大尺寸為125 μm)

(c)生長(zhǎng)時(shí)間為1.5 h(石墨烯島的最大尺寸為175 μm)

(d)生長(zhǎng)時(shí)間為2 h(石墨烯島的最大尺寸超過(guò)200μm)

利用拉曼的光譜測(cè)試可以鑒別出單層/少層石墨烯之間層數(shù)的差別。在每個(gè)光譜上可以看到兩個(gè)特征峰,分別是G峰(1 580cm-1處,碳sp2結(jié)構(gòu)的特征峰)和2D峰(2 700cm-1處,兩個(gè)雙聲子的非彈性散射)。單層石墨烯的2D峰是一個(gè)單峰,而且一般來(lái)說(shuō)它的強(qiáng)度是前面G峰的2倍以上。除去這兩個(gè)峰之外,還有一個(gè)峰叫做D峰(1 350cm-1處,缺陷峰),它反映了石墨的無(wú)序性。

圖5給出了4種不同尺寸六邊形石墨烯島的拉曼光譜掃描結(jié)果,從4個(gè)樣品的拉曼光譜可以看到,2D峰和G峰相對(duì)強(qiáng)度的比值(r=I2D/IG)范圍是1.78～2.07,都接近2,半峰寬范圍是19.7～36.0cm-1,這表明所制備的4種不同尺寸石墨烯都是單層的[13-14];此外,D峰不明顯,幾乎可以忽略不計(jì),說(shuō)明石墨烯的缺陷比例低,質(zhì)量比較高。

圖5 不同尺寸的六邊形石墨烯島的拉曼光譜分析

2.3 石墨烯島的搭疊

雖然可以得到百微米量級(jí)石墨烯島,但是與硅晶圓的百毫米尺寸相比還有很大差距。有人提出是否可以將單晶石墨烯島搭疊和拼接成多晶的單層石墨烯,以實(shí)現(xiàn)百毫米尺度的外延層。但是,搭疊構(gòu)成的多晶薄膜會(huì)產(chǎn)生晶粒晶界,對(duì)電子傳輸是否會(huì)造成影響?康奈爾大學(xué)Jiwoong Park小組[15]發(fā)現(xiàn)一個(gè)有趣的現(xiàn)象:當(dāng)單晶石墨烯島之間有兩層搭疊時(shí),電子穿過(guò)晶粒晶界不僅不會(huì)提升阻值,反而會(huì)降低阻值。在此結(jié)果的驅(qū)動(dòng)下,本論文也嘗試少層單晶石墨烯島搭疊的制備研究。

要在銅箔上生長(zhǎng)出雙層石墨烯搭疊,首先要考慮的就是銅箔的自限制效應(yīng),如果成核密度較高且石墨烯生長(zhǎng)面積較大,則銅箔表面會(huì)被完全覆蓋,對(duì)之后參與進(jìn)來(lái)的CH4就失去了催化作用。所以,如果成核密度相對(duì)較低,則裸露的銅箔會(huì)相對(duì)較多,之后催化裂解產(chǎn)生的碳原子會(huì)繼續(xù)落在表面成核長(zhǎng)大,當(dāng)兩片相鄰的石墨烯島面積足夠大時(shí),在邊界附近就有可能形成搭疊。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了石墨烯島搭疊現(xiàn)象,圖6所示為2片單晶六邊形石墨烯島的搭疊實(shí)驗(yàn)結(jié)果的SEM圖像,分別對(duì)圖示的3個(gè)位置即石墨烯島中間區(qū)域、邊緣區(qū)域和雙層區(qū)域進(jìn)行了拉曼分析。

(a)兩片單晶石墨烯島的搭疊形貌(標(biāo)尺為100μm)

(b)搭疊石墨烯島不同區(qū)域的拉曼光譜

從圖6a可以看出,兩片單晶石墨烯島產(chǎn)生局部搭疊,搭疊寬度幾十微米。由拉曼圖可知,邊緣區(qū)域處2D峰與G峰的比值r=I2D/IG約為1.56,接近2,半峰寬為34.8 cm-1,表明邊緣區(qū)域處的單晶大尺寸石墨烯是單層。在中間區(qū)域的2D峰與G峰的比值r約為2,說(shuō)明此處依然是單層區(qū)域,尚未開(kāi)始搭疊。但是,從圖6a的估算可以看出,該區(qū)域恰好是在搭疊處的邊界位置,會(huì)受到晶粒晶界影響,所以有輕微的D峰(1 335 cm-1缺陷峰),而不像邊緣區(qū)域那樣沒(méi)有D峰。雙層區(qū)域完全處在搭疊區(qū)域,2D峰與G峰的比值r為1.48,半峰寬為42.8 cm-1,與雙層石墨烯特性很接近[13-14]。研究發(fā)現(xiàn),要得到雙層的塔疊型石墨烯,首先要降低石墨烯的成核密度,再增大石墨烯島的生長(zhǎng)尺寸,這樣就能保證相鄰的石墨烯島有重疊的區(qū)域。要想得到更高質(zhì)量、塔疊方式可控(如AB搭疊)的石墨烯,還有待于進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)。

3 總 結(jié)

通過(guò)控制工藝參數(shù)如生長(zhǎng)溫度、生長(zhǎng)時(shí)間、氣體流量、退火時(shí)間和退火氣體等,實(shí)現(xiàn)了對(duì)石墨烯尺寸大小、分形形態(tài)、幾何形態(tài)和搭疊關(guān)系的可控生長(zhǎng)。當(dāng)生長(zhǎng)溫度低于銅箔表面熔點(diǎn)如1 000℃時(shí)可以獲得四邊形石墨烯島。CH4與H2流量比是影響四邊形石墨烯島分型的原因之一,襯底表面處理比如滴涂FeCl3是改善分型得到飽滿四邊形的有效方法,可以得到邊界完整無(wú)分形結(jié)構(gòu)的單晶正方形石墨烯。當(dāng)生長(zhǎng)溫度接近銅箔表面熔點(diǎn)如1 077℃時(shí),可以獲得六邊形石墨烯島。通過(guò)氣流比的調(diào)節(jié),可以控制六邊形石墨烯島的分形形態(tài)。在CH4與H2的流量比為0.1/100時(shí),六邊形的形狀較為完整,可以得到無(wú)分形結(jié)構(gòu)的六邊形石墨烯島。在此基礎(chǔ)上,適當(dāng)延長(zhǎng)生長(zhǎng)時(shí)間,得到了200μm尺寸的單晶石墨烯島,已完全能夠滿足制作小型集成電路的需求。嘗試得到雙層的搭疊形石墨烯,需同時(shí)降低石墨烯的成核密度,且增大石墨烯島的生長(zhǎng)尺寸,才能保證相鄰的石墨烯島有搭疊的區(qū)域。

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(編輯 劉楊)

AControllablePreparationMethodforIC-OrientedLargeScaleSingleCrystalGraphene

LI Xin,ZHANG Juan,LI Quanfu,CHU Pengzhi,WANG Xiaoli,LIU Weihua

(School of Electronics and Information Engineering,Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710049,China)

A controllable preparation method for synthesizing hundreds of micro-sized single-crystal grapheme is proposed by regulating the process of chemical vapor deposition.Nucleation density and morphology of graphene is controlled by annealing time and temperature in Ar atmosphere.Fractal structure of grapheme is improved by using substrate pretreatment by FeCl3and controlling ratio of H2and CH4flows,and the size of graphene is increased by extending growth time.Experimental results show that the proposed method could control the graphene with different structure such as quadrilaterals,hexagons,and stacks.Quadrilateral graphene could be controlled from fractal structure with narrow,swallow wings,or butterfly to non-fractal structure in square.The size of hexagon graphene can be increased from dozens of micron to more than 200microns,and stacked graphene is obtained.It is expected that graphene with single atomic layer structure and high charge carrier mobility will solve the integrated circuits problem for hundred micron scale single crystal graphene with consistent lattice orientations.

graphene; nano-scale transistor; integrated circuit; controllable preparation; stacking

2014-01-09。

李昕(1968—),女,副教授;劉衛(wèi)華(通信作者),男,副教授。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(91123018,61172041,61172040)。

時(shí)間:2014-03-19

10.7652/xjtuxb201406018

TN304.9

:A

:0253-987X(2014)06-0103-07

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20140319.1749.002.html