[论文解读] The Development of Epitaxial Graphene For 21st Century Electronics

Walt A. de Heer|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2010

Graphene research and applications参考文献 29被引用 4

一句话总结

本文回顾了佐治亚理工学院在外延石墨烯领域的发展，将其确立为21世纪电子学的可行平台，突出其从基础研究到实际应用的演进。其主要贡献在于展示了具有可调电子特性的高迁移率外延石墨烯，推动了高速、低功耗电子器件的发展。

ABSTRACT

Graphene has been known for a long time but only recently has its potential for electronics been recognized. Its history is recalled starting from early graphene studies. A critical insight in June, 2001 brought to light that graphene could be used for electronics. This was followed by a series of proposals and measurements. The Georgia Institute of Technology (GIT) graphene electronics research project was first funded, by Intel in 2003, and later by the NSF in 2004 and the Keck foundation in 2008. The GIT group selected epitaxial graphene as the most viable route for graphene based electronics and their seminal paper on transport and structural measurements of epitaxial graphene was published in 2004. Subsequently, the field rapidly developed and multilayer graphene was discovered at GIT. This material consists of many graphene layers but it is not graphite: each layer has the electronic structure of graphene. Currently the field has developed to the point where epitaxial graphene based electronics may be realized in the not too distant future.

研究动机与目标

• 将外延石墨烯确立为可扩展且兼容的高性能电子器件材料。
• 解决在大面积、高质量石墨烯中实现可控电子特性的挑战。
• 通过输运和结构测量，证明外延石墨烯在真实电子应用中的可行性。
• 推动该领域从孤立石墨烯薄片发展为具有石墨烯样电子行为的集成化、多层外延石墨烯结构。
• 通过展示其商业化潜力和与现有半导体工艺的集成能力，将外延石墨烯确立为后CMOS电子学的领先候选材料。

提出的方法

• 通过高温退火在碳化硅衬底上外延生长石墨烯，以获得单晶、大面积薄膜。
• 采用输运测量表征外延石墨烯层中的电子迁移率和载流子行为。
• 结构分析证实了外延薄膜的单晶特性及逐层生长行为。
• 合成了多层外延石墨烯并进行了表征，结果表明每一层均保持了孤立石墨烯的电子结构。
• 研究结合了分子束外延和热分解技术，以精确控制生长条件。
• 英特尔、国家科学基金会（NSF）和凯克基金会的资助支持了外延石墨烯平台的持续发展与验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能够合成出足够高质量和均匀性的外延石墨烯，以支持高性能电子器件？
• RQ2 在外延石墨烯中，其电子特性（如迁移率和载流子行为）与机械剥离石墨烯相比如何？
• RQ3 多层外延石墨烯能否保持单层石墨烯的本征电子特性？
• RQ4 在碳化硅衬底上形成大面积单晶外延石墨烯的关键生长参数是什么？
• RQ5 外延石墨烯在可扩展、工业兼容电子系统中的集成潜力如何？

主要发现

• 在碳化硅衬底上生长的外延石墨烯表现出高电子迁移率，证实其在高速电子学中的潜力。
• 佐治亚理工学院团队于2004年发表的开创性论文首次对外延石墨烯进行了全面的输运和结构表征。
• 发现了多层外延石墨烯，尽管堆叠在一起，每一层仍保持了孤立石墨烯的电子结构。
• 2004年研究结果发布后，该领域迅速发展，后续获得英特尔（2003年）、国家科学基金会（2004年）和凯克基金会（2008年）的资助，加速了研发进程。
• 由于与现有半导体制造工艺的兼容性，外延石墨烯成为21世纪电子学的领先候选材料。
• 研究证明，外延石墨烯并非等同于石墨，其每一层均表现出独特且类似石墨烯的电子行为。