[论文解读] Large domain graphene

Xuesong Li, Carl W. Magnuson+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2010

Graphene research and applications被引用 4

一句话总结

本文提出一种在铜箔上生长大面积石墨烯的低压化学气相沉积（CVD）方法，通过使用超低甲烷流量和接近1000 °C的温度，实现了尺寸达数百微米的石墨烯结构域。所得石墨烯薄膜表现出高达21,000 cm²/Vs的载流子迁移率，显著推进了大面积、高质量石墨烯的合成技术。

ABSTRACT

Graphene growth by chemical vapor deposition has received a lot of attention recently owing to the ease with which large area films can be grown, but growth of large domain or equivalently large grain size has not been reported yet. In this brevia, we report on a CVD process that yields graphene with domains of hundreds of micrometers, by very low pressure CVD, less than 50 mTorr, and very low precursor flow rates using methane as the source of carbon on the inside of copper foil enclosures at high temperature, around 1000 oC. The carrier mobility for the large-domain graphene films is up to 21,000 cm2/Vs.

研究动机与目标

• 开发一种适用于电子应用的大面积石墨烯可扩展生长方法。
• 克服传统CVD生长石墨烯中晶粒尺寸小的限制。
• 通过最小化大面积薄膜中的晶界和缺陷，实现高载流子迁移率。
• 优化CVD参数（如压力、流量和温度）以实现结构域尺寸的调控。
• 展示高质量、大面积石墨烯在实际器件集成中的可行性。

提出的方法

• 采用压力低于50 mTorr的低压CVD，以增强表面扩散并降低成核密度。
• 使用超低甲烷流量以限制碳源供应，促进横向生长而非垂直成核。
• 在密封的铜箔容器内进行生长，以确保温度和气体分布均匀。
• 在高温（约1000 °C）下进行合成，以增强铜表面碳原子的迁移能力。
• 通过调节压力和前驱体流量控制成核密度，促进结构域合并形成大尺寸单晶结构域。
• 利用电输运测量表征所得薄膜，以确定载流子迁移率。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过低压CVD实现具有极少晶界的大型石墨烯结构域？
• RQ2 降低前驱体流量和压力如何影响结构域尺寸和质量？
• RQ3 CVD生长的大尺寸石墨烯结构域中可实现的最大载流子迁移率是多少？
• RQ4 能否在可控且可扩展的参数下于铜箔上生长出高质量石墨烯？
• RQ5 生长条件如何影响成核密度和横向生长动力学？

主要发现

• 通过使用超低甲烷流量和低于50 mTorr的压力，实现了尺寸超过100微米的石墨烯结构域。
• 该方法生成了大尺寸单晶结构域，晶界密度显著降低，从而实现了优异的电子品质。
• 载流子迁移率最高达到21,000 cm²/Vs，表明其具有高结晶质量与低缺陷密度。
• 低压和低流量条件抑制了成核，有利于横向生长和结构域的合并。
• 密封的铜箔容器确保了热场和气体分布的均匀性，这对可重复的大尺寸结构域生长至关重要。
• 结果表明，该方法为高质量石墨烯的可扩展制备提供了有效途径，适用于高频和高迁移率电子器件。