化學氣相沉積（CVD）是生長大面積高質(zhì)量石墨烯的有效方法之一。在石墨烯的CVD生長過程中，需要使用金屬催化劑，石墨烯需要轉(zhuǎn)移才能構(gòu)筑電學器件，與當前的半導(dǎo)體加工工藝不兼容，同時轉(zhuǎn)移會造成石墨烯的褶皺、破損和降低其電學性能。如能在絕緣襯底上實現(xiàn)石墨烯的無金屬催化生長，那就不需要轉(zhuǎn)移可直接構(gòu)筑電學器件。但是，不同于多數(shù)金屬基底上的自限制生長方式，石墨烯在絕緣基底上的CVD生長常常會伴隨有生長速度慢與重復(fù)成核等缺點，因而會形成均勻性差并具有不確定層數(shù)的石墨烯膜。因此，在絕緣基底上直接制備大面積均勻單層石墨烯薄膜，對其實現(xiàn)與半導(dǎo)體行業(yè)對接和加速石墨烯工業(yè)化應(yīng)用進程具有深遠影響。
在國家自然科學基金委和中國科學院先導(dǎo)項目的支持下，中國科學院化學研究所有機固體院重點實驗室于貴研究員課題組長期致力于CVD可控制備石墨烯研究，并取得了系列進展（Adv. Mater. 2015, 27, 2821-2837; Adv. Mater. 2015, 27, 4195-4199; Adv. Mater. 2016, 28, 4956-4975; Adv. Mater. Interfaces 2016, 3, 1600347; J. Mater. Chem. C 2016, 4, 7464-7471; Mater. Horiz. 2016, 3, 568; Chem. Mater. 2017, 29, 1022-1027; Nat. Commun. 2017, 8, 14029; Carbon 2017, 121, 1-9; Adv. Mater. Interfaces 2018, 5, 1800347; Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 192-197; Mater. Horiz. 2018, 5, 1021-1034; Chem. Mater. 2019, 31, 1231; Adv. Mater. Technol. 2019, 4, 1800572; Diamond Relat. Mater. 2019, 91, 112-118; Small Methods 2019, 31, 2507）。
圖 1石墨烯薄膜生長示意圖及其場效應(yīng)晶體管性能表征
近日，研究人員采用了一種新的前驅(qū)體調(diào)控策略成功地抑制了石墨烯的二次成核，從而在絕緣基底上直接生長出大面積高質(zhì)量的均勻單層石墨烯薄膜。通過對石墨烯生長機理的研究得知，二氧化硅襯底表面的羥基化弱化了石墨烯邊緣與襯底之間的結(jié)合，進而實現(xiàn)了初級成核主導(dǎo)的石墨烯生長。場效應(yīng)晶體管（FET）器件測試結(jié)果顯示出制備的均勻單層石墨烯膜具有優(yōu)異的電學性能，遷移率最高達到3800 cm2 V-1 s-1，是目前絕緣基底上生長的石墨烯薄膜器件的性能最高值。這種無需任何復(fù)雜的轉(zhuǎn)移過程，簡便可控在絕緣基底上制備高質(zhì)量石墨烯薄膜的方法，使石墨烯在集成電子和光電子領(lǐng)域中的應(yīng)用又邁進了一步。該工作中，研究人員與清華大學工程力學系徐志平教授課題組在石墨烯生長機理方面開展了密切的合作研究，相關(guān)研究成果發(fā)表于美國化學會志上（J. Am. Chem. Soc., 2019， 141, 11004-11008），通訊作者為于貴研究員和徐志平教授，第一作者為王華平博士。
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