近期，中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所信息功能材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室SOI材料與器件課題組在鍺基石墨烯的取向生長(zhǎng)機(jī)制方面取得進(jìn)展。課題組研究人員發(fā)現(xiàn)襯底表面原子臺(tái)階對(duì)于石墨烯取向生長(zhǎng)的重要性，并且與華東師范大學(xué)合作借助于第一性原理DFT理論計(jì)算分析得到石墨烯單晶疇在(110)晶面的鍺襯底上取向生長(zhǎng)的物理機(jī)理，為獲得晶圓級(jí)的單晶石墨烯材料奠定了實(shí)驗(yàn)與理論基礎(chǔ)，有助于推動(dòng)石墨烯材料真正應(yīng)用于大規(guī)模集成電路技術(shù)。相關(guān)研究成果以How graphene islands are unidirectionally aligned on Ge(110) surface 為題于近期發(fā)表在Nano Lett., 2016, 16 (5), pp 3160–3165上。
石墨烯憑借其優(yōu)異的電學(xué)性能被人們認(rèn)為是后硅CMOS時(shí)代最有競(jìng)爭(zhēng)力的電子材料之一，SOI材料與器件課題組于2013年在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了用鍺基襯底CVD法生長(zhǎng)大尺寸連續(xù)單層石墨烯(Sci. Rep. 3(2013), 2465)，實(shí)現(xiàn)了石墨烯與半導(dǎo)體的集成。韓國(guó)三星公司在此基礎(chǔ)上將鍺基石墨烯的研究工作推廣至單晶晶圓級(jí)別（Science344, 286–289 (2014)，在(110)晶面的鍺襯底上通過(guò)生長(zhǎng)一系列取向相同的石墨烯單晶疇進(jìn)而無(wú)縫拼接為晶圓級(jí)的高質(zhì)量單晶石墨烯材料，然而相關(guān)取向生長(zhǎng)的物理機(jī)制一直不明確。SOI課題組戴家赟、狄增峰等研究人員發(fā)現(xiàn)在原子臺(tái)階密度高的鍺襯底表面上生長(zhǎng)的石墨烯晶疇通常位于臺(tái)階邊緣，并且具有高度取向性；而在經(jīng)過(guò)高溫退火處理平坦的表面上生長(zhǎng)的石墨烯取向性差。通過(guò)第一性原理DFT理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)鍺原子與碳原子在臺(tái)階邊緣處形成的強(qiáng)烈的Ge-C化學(xué)鍵以及兩者的晶格匹配關(guān)系決定了石墨烯晶疇的取向性。對(duì)于石墨烯取向一致機(jī)理的研究，有助于加深對(duì)CVD生長(zhǎng)石墨烯的過(guò)程中微觀機(jī)制的了解，推動(dòng)石墨烯真正應(yīng)用于微電子領(lǐng)域。
該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究群體、優(yōu)秀青年基金、中國(guó)科學(xué)院高遷移率材料創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)等相關(guān)研究計(jì)劃的支持。
Ge（110）襯底上石墨烯單晶疇取向生長(zhǎng)的AFM、STM實(shí)驗(yàn)觀察與DFT理論模擬
