[论文解读] Wafer-scale Graphene Synthesized by Chemical Vapor Deposition at Ambient Pressure

Helin Cao, Qingkai Yu+10 more|arXiv (Cornell University)|Oct 22, 2009

Graphene research and applications参考文献 1被引用 2

一句话总结

本研究通过在铜箔上进行常压化学 vapor 沉积（CVD）实现了晶圆尺寸单层石墨烯的生长，获得最大达4英寸的薄膜，面积覆盖率约90%。高电子品质的输运特性，包括双极场效应行为（开/关比约5）、载流子迁移率高达3000 cm²/V·s，以及半整数量子霍尔效应，证实了该材料具有优异的电子质量。

ABSTRACT

We report wafer-scale graphene synthesized by chemical vapor deposition (CVD) on copper foils at ambient pressure. Graphene films up to 4 inches in size are synthesized and transferred to SiO2/Si. Spectroscopic Raman mapping demonstrates that the synthesized films consist primarily of monolayer graphene (with as high as ~90% area coverage). Low temperature transport measurements are performed on devices made from such CVD graphene. We observe ambipolar field effect (with on/off ratio ~5 and carrier mobilities up to ~3000 cm/Vs) and the hall-mark “half-integer” quantum Hall effect. We also observe weak localization of carriers and extract phase coherence length up to 0.3 μm.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展的大型石墨烯薄膜生长方法，适用于工业集成。
• 通过在铜箔上实现常压合成，克服高压CVD工艺的局限性。
• 在晶圆尺寸石墨烯中实现高均匀性和电子品质，以适用于纳米电子应用。
• 表征低温下CVD生长石墨烯的电子输运特性。
• 评估大面积CVD石墨烯中的相位相干性和局域化效应。

提出的方法

• 在铜箔作为衬底的条件下，通过常压化学 vapor 沉积（CVD）生长石墨烯。
• 合成尺寸最大达4英寸的石墨烯薄膜，随后转移至SiO2/Si衬底上。
• 通过拉曼光谱映射评估层数均匀性和面积覆盖率（最高约90%的单层石墨烯）。
• 在制备的器件上进行低温电输运测量，以探测场效应和量子输运行为。
• 通过磁电导率测量分析弱局域化和相位相干长度。
• 观察到半整数量子霍尔效应，证实了高载流子迁移率和材料质量。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在常压下通过CVD在铜箔上合成高质量、晶圆尺寸的石墨烯？
• RQ2 在4英寸晶圆上，CVD生长石墨烯的均匀性和层数覆盖率如何？
• RQ3 常压CVD石墨烯在低温下的电输运特性是什么？
• RQ4 所合成的石墨烯是否表现出半整数量子霍尔效应，表明其具有高迁移率？
• RQ5 CVD生长石墨烯中的相位相干长度是多少？其对电子局域化的意义是什么？

主要发现

• 成功在常压下通过CVD在铜箔上合成了最大达4英寸的石墨烯薄膜。
• 拉曼映射证实了单层石墨烯的形成，其在晶圆尺寸薄膜中的面积覆盖率最高达约90%。
• 观察到双极场效应行为，开/关比约为5。
• 在合成的石墨烯中测得载流子迁移率高达约3000 cm²/V·s。
• 观察到标志性半整数量子霍尔效应，证实了其高电子品质和高迁移率。
• 通过弱局域化测量提取出最高达0.3 μm的相位相干长度，表明材料中具有长程量子相干性。