石墨烯獨特的結(jié)構(gòu)蘊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，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滿足大面積、高質(zhì)量、與現(xiàn)有的硅工藝兼容等條件。目前為止，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實驗室研究員高鴻鈞帶領(lǐng)團隊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（Chin. Phys. 16, 3151 (2007); Adv. Mater. 21, 2777 (2009); 2D Mater. 6, 045044 (2019)）；進一步發(fā)展了基于該體系的異質(zhì)元素插層技術(shù)，運用該技術(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（Appl. Phys. Lett. 100, 093101 (2012); Appl. Phys. Lett. 99, 163107 (2011)）。隨后，研究人員揭示了石墨烯無損插層的普適機制（J. Am. Chem. Soc. 137, 7099 (2015)）；利用該插層技術(shù)，實現(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（Adv. Mater. 30, 1804650 (2018)）和對石墨烯電子結(jié)構(gòu)的調(diào)控（Nano Res. 11, 3722 (2018); Nano Lett. 20, 2674 (2020)）。

在上述研究基礎(chǔ)上，該研究團隊的博士后郭輝、博士生王雪艷和副主任工程師黃立等經(jīng)過持續(xù)努力，實現(xiàn)了金屬表面外延高質(zhì)量石墨烯的SiO₂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)；當二氧化硅插層薄膜到達一定厚度時，石墨烯與金屬基底之間絕緣；利用這一SiO₂插層基底上的石墨烯材料，可實現(xiàn)原位非轉(zhuǎn)移的外延石墨烯器件的制備（圖1）。實驗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)（圖2）；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1.8 nm；垂直方向輸運測試及理論計算表明，該厚層非晶態(tài)二氧化硅（1.8 nm）插層較大限制了電子從石墨烯向金屬Ru基底的輸運過程，實現(xiàn)了石墨烯與金屬Ru基底之間的電學(xué)近絕緣（圖3）；基于1.8 nm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、強磁場下的輸運測試，觀測到了外延石墨烯的SdH振蕩、整數(shù)量子霍爾效應(yīng)、弱反局域化等現(xiàn)象（圖4）。這些現(xiàn)象都來源于石墨烯二維電子氣的本征性質(zhì)，進一步證明了1.8 nm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)。

相關(guān)研究成果發(fā)表在Nano Lett.上。郭輝、王雪艷和黃立為論文的共同第一作者，高鴻鈞、物理所副研究員鮑麗宏和研究員杜世萱為論文的共同通訊作者。研究工作得到科學(xué)技術(shù)部、國家自然科學(xué)基金委和中科院的資助。

論文鏈接

圖1.Ru(0001)表面外延大面積、高質(zhì)量石墨烯的SiO2插層及原位器件的制備。(a)-(d)SiO2插層及原位器件示意圖；(e)-(g)不同制備階段樣品的LEED表征；(h)石墨烯Hall器件的Raman mapping

圖2.(a)薄層晶態(tài)二氧化硅插層樣品的截面STEM圖像；(b)高分辨STEM圖像顯示晶態(tài)二氧化硅的雙層結(jié)構(gòu)；(c)界面處的EELS譜；(d)晶態(tài)二氧化硅表面石墨烯的STM圖像；(e)插層之后石墨烯的Raman光譜

圖3.(a)厚層二氧化硅插層樣品的界面STEM圖像，顯示界面處厚層二氧化硅的厚度達到1.8 nm，具有非晶態(tài)結(jié)構(gòu)；(b)X射線光電子能譜；(c)低偏壓（＜10 mV）下，對不同厚度二氧化硅插層的樣品在垂直方向輸運性質(zhì)測試；(d)基于不同厚度二氧化硅插層樣品的透射系數(shù)的計算

圖4.原位石墨烯霍爾器件的磁輸運測試。(a)不同溫度下的SdH振蕩，插圖是低場范圍不同溫度下的磁阻變化；(b)2 K下磁阻Rxx以及霍爾電阻Rxy隨磁場的變化；(c)基于SdH振蕩的Landau能級指數(shù)n隨1/B的變化規(guī)律；(d)SdH振蕩振幅隨溫度變化的依賴關(guān)系；(e)不同溫度下電導(dǎo)率在低場范圍的變化規(guī)律，與石墨烯的弱反局域理論很好的擬合；(f)相干長度LΦ和散射速率\(\tau_{\varphi}^{-1}\)隨溫度的變化關(guān)系