【引言】
近年来，金属催化化学气相沉积（CVD）作为一种制备单晶石墨烯的方法受到了广泛的关注。然而，该法制备的石墨烯必须转移到绝缘衬底上才能制备成电子器件，在转移的过程不可避免地会降低石墨烯的质量并带来污染。基于这种情况，本文成功找到了一种直接在SiO2和SiC衬底上生长少层石墨烯的方法。该方法生长的石墨烯可以均匀地覆盖整个衬底表面，为石墨烯在微电子器件领域的应用提供了更广阔的前景。
【成果简介】
本文提出了一种有效的无金属催化CVD生长石墨烯的方法，以CH4为碳源，在绝缘衬底SiO2和SiC上生长了少层石墨烯。通过对生长温度、时间以及CH4和H2的气体流量系统地研究，确定了最优的生长参数为：T = 1150 ℃，t = 4 h，CH4:H2 = 120:30 sccm。利用扫描电镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）和拉曼光谱对石墨烯的表面形貌以及晶体结构进行表征，结果表明在相同的生长条件下，石墨烯在SiC衬底上的生长速率比在SiO2衬底上快，并且揭示了石墨烯在SiO2衬底（Stranski-Krastanovmode）和SiC衬底（Volmer-Weber mode）上生长机制的差别。最后，在SiO2和SiC衬底上分别制备了Hall bar器件，均表现出较高的霍尔迁移率，其大小分别为608 cm2V-1s-1和1265 cm2V-1s-1。这些结果表明，在不使用任何金属催化剂的情况下，单层或少层石墨烯薄膜可以直接在绝缘SiO2和SiC衬底上生长。生长的石墨烯的尺寸可以覆盖整个衬底大小，更大尺寸的石墨烯薄膜也可以通过使用更大尺寸的衬底和适当尺寸的CVD炉来得到，这在现代工业中是较为成熟的工艺。由此可见，该方法在未来柔性石墨烯电子器件制备中将表现出巨大的应用潜力。
【图文导读】
图1 石墨烯生长温度随时间的变化曲线。
图2 Hall Bar器件的制备流程示意图。
图3 在SiC衬底上生长时间对石墨烯生长的影响；（a）-（c）石墨烯的AFM高度图；（d）-（f）石墨烯的AFM相位图；（g）-（i）石墨烯的SEM图。
图4 在SiO2衬底上生长时间对石墨烯生长的影响；（a）-（c）石墨烯的AFM高度图；（d）-（f）石墨烯的AFM相位图；（g）-（i）石墨烯的SEM图。
图5 （a）-（b）在SiC和SiO2衬底上石墨烯的拉曼光谱；（c）I2G/IG、IG/ID拉曼峰强度比与生长时间的变化关系；（d）石墨烯2D的半峰宽（FWHM）随生长时间的变化关系。
图6 （a）在SiO2衬底上器件的输出特性曲线；（b）在VDS=0.5V时，正负方向扫描得到的转移特性曲线；（c）器件的VH-B曲线；（d）沉积Al前后的转移特性曲线。
图7 （a）在SiC衬底上器件的输出特性曲线；（b）器件的VH-B曲线。
【文章题目】
Metal-free synthesis of few-layer graphene films on insulating SiO2 and SiC substrates by chemical vapor deposition 论文通讯作者为马雷教授，第一作者为硕士研究生赵丽荣。相关研究成果刊登于 Mater. Res. Express 2019 6 105604 https://doi.org/10.1088/2053-1591/ab36fb
