石墨烯獨(dú)特的結(jié)構(gòu)蘊(yùn)含豐富且新奇的物理，不僅為基礎(chǔ)科學(xué)提供了重要的研究平臺(tái)，而且在電子、光電子、柔性器件等領(lǐng)域顯現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。為了充分發(fā)揮石墨烯的優(yōu)異性質(zhì)并實(shí)現(xiàn)其工業(yè)生產(chǎn)與應(yīng)用，須找到合適的材料制備方法，使制備出的石墨烯能夠同時(shí)滿足大面積、高質(zhì)量、與現(xiàn)有的硅工藝兼容等條件。截至目前，大面積、高質(zhì)量石墨烯單晶通常都是在過渡金屬表面外延生長而獲得的，但后續(xù)復(fù)雜的轉(zhuǎn)移過程通常會(huì)引起石墨烯質(zhì)量的退化和界面的污染，從而阻礙石墨烯在電子器件方面的應(yīng)用。
近年來，中國科學(xué)院院士、中科院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心納米物理與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員高鴻鈞帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在石墨烯及類石墨烯二維原子晶體材料的制備、物性調(diào)控及應(yīng)用等方面開展了研究和探索，取得了一系列研究成果。在早期的研究工作中，研究人員發(fā)現(xiàn)，在過渡金屬表面外延生長的石墨烯具有大面積、高質(zhì)量、連續(xù)、層數(shù)可控等優(yōu)點(diǎn)；進(jìn)一步發(fā)展了基于該體系的異質(zhì)元素插層技術(shù)，運(yùn)用該技術(shù)可有效避免復(fù)雜的石墨烯轉(zhuǎn)移過程，使大面積、高品質(zhì)石墨烯單晶可以無損地置于異質(zhì)元素插層基底之上。隨后，研究人員揭示了石墨烯無損插層的普適機(jī)制；利用該插層技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了空氣中穩(wěn)定存在的石墨烯/硅烯異質(zhì)結(jié)的構(gòu)建和對(duì)石墨烯電子結(jié)構(gòu)的調(diào)控。
在上述研究基礎(chǔ)上，該研究團(tuán)隊(duì)的博士后郭輝、博士生王雪艷和副主任工程師黃立等經(jīng)過持續(xù)努力，實(shí)現(xiàn)了金屬表面外延高質(zhì)量石墨烯的二氧化硅絕緣插層，并原位構(gòu)筑了石墨烯電子學(xué)器件。研究人員在Ru(0001)表面實(shí)現(xiàn)了厘米尺寸、單晶石墨烯的外延生長；在此基礎(chǔ)上，發(fā)展了分步插層技術(shù)，通過在同一樣品上插入硅和氧兩種元素，在石墨烯和Ru基底的界面處實(shí)現(xiàn)了二氧化硅薄膜的生長；隨著硅、氧插層量的增加，界面處二氧化硅逐漸變厚，其結(jié)構(gòu)由晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)；當(dāng)二氧化硅插層薄膜到達(dá)一定厚度時(shí)，石墨烯與金屬基底之間絕緣；利用這一二氧化硅插層基底上的石墨烯材料，可實(shí)現(xiàn)原位非轉(zhuǎn)移的外延石墨烯器件的制備。實(shí)驗(yàn)上首先通過截面掃描透射電子顯微鏡的研究，證明了薄層晶態(tài)二氧化硅的雙層結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步結(jié)合掃描隧道顯微鏡及拉曼光譜的研究，表明二氧化硅插層之后石墨烯仍保持大面積連續(xù)及高質(zhì)量性質(zhì)；隨著硅、氧插層量的增加，掃描透射電鏡圖像顯示界面處二氧化硅的厚度可達(dá)1.8納米；垂直方向輸運(yùn)測試及理論計(jì)算表明，該厚層非晶態(tài)二氧化硅（1.8納米）插層較大限制了電子從石墨烯向金屬Ru基底的輸運(yùn)過程，實(shí)現(xiàn)了石墨烯與金屬Ru基底之間的電學(xué)近絕緣；基于1.8納米二氧化硅插層的樣品，原位制備出石墨烯的電子學(xué)器件，并且通過低溫、強(qiáng)磁場下的輸運(yùn)測試，觀測到了外延石墨烯的整數(shù)量子霍爾效應(yīng)、弱反局域化等現(xiàn)象。這些現(xiàn)象都來源于石墨烯二維電子氣的本征性質(zhì)，進(jìn)一步證明了1.8納米非晶態(tài)二氧化硅的插層并未破壞石墨烯大面積、高質(zhì)量的特性，而且有效隔絕了石墨烯與金屬基底之間的耦合。
該研究提供了一種與硅基技術(shù)融合的、制備大面積、高質(zhì)量石墨烯單晶的新方法，為石墨烯材料及其器件的應(yīng)用研究提供了基礎(chǔ)。（光明日?qǐng)?bào)記者 詹媛 通訊員 郭輝）
（責(zé)任編輯：蔡文斌）
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