對于先進的電子設(shè)備，將大型二維(2D)材料集成到半導體晶片上是非常理想的，但是仍然存在諸如與轉(zhuǎn)移相關(guān)的裂紋，污染，起皺和摻雜之類的挑戰(zhàn)。在這里，我們開發(fā)了一種通過梯度表面能調(diào)制的通用方法，從而使石墨烯可靠地粘附并釋放到目標晶片上。所獲得的晶片規(guī)模的石墨烯表現(xiàn)出無損傷、清潔和超平坦的表面，摻雜可忽略不計，得到均勻的薄層電阻，偏差僅為6%。在SiO
2/Si上轉(zhuǎn)移的石墨烯表現(xiàn)出高達~10000 cm
2 v
-1的高載流子遷移率，在室溫下觀察到量子霍爾效應(QHE)。h-BN封裝后，在1.7K處出現(xiàn)分數(shù)量子霍爾效應(FQHE)，產(chǎn)生約280000 cm
2 v
-1 s
-1的超高遷移率。集成的晶圓級石墨烯熱發(fā)射器在近紅外(NIR)光譜中顯示出顯著的寬帶發(fā)射。總體而言，所提出的方法有望在先進的電子學和光電子學中將來集成晶圓級2D材料。
Figure1.通過梯度表面能調(diào)控實現(xiàn)晶圓級石墨烯集成。通過梯度表面能調(diào)制進行晶圓級超平石墨烯轉(zhuǎn)移的示意圖。b轉(zhuǎn)移介質(zhì)的結(jié)構(gòu)，其中設(shè)計了具有梯度表面能的不同層(γ
1>γ
2，γ
3≥γ
4)。左右圖顯示了面板(a)中的粘附和釋放程序。請注意，SiO
2/Si(γ
1)的表面能大于石墨烯/冰片(γ
2)的表面能，如中間圖片所示，可實現(xiàn)可靠的附著力。而且，PDMS(γ
4)的表面能最低，導致石墨烯完整釋放到目標基板上。c根據(jù)測量的接觸角計算出不同表面的表面能。圖例:顯示不同表面水接觸角的圖像。誤差條表示不同表面的表面能和接觸角的標準偏差。SiO
2/Si晶片上4英寸轉(zhuǎn)移石墨烯的光學圖像。轉(zhuǎn)移石墨烯覆蓋的e直方圖。插圖:轉(zhuǎn)移石墨烯的光學顯微鏡圖像。GSE轉(zhuǎn)移的石墨烯和PMMA轉(zhuǎn)移的石墨烯的電子顯微鏡成像。g從80張GSE轉(zhuǎn)移的AFM圖像和50張PMMA轉(zhuǎn)移的石墨烯的AFM圖像中，每10×10μm
2的粒子數(shù)直方圖。圖例:GSE轉(zhuǎn)移和PMMA 轉(zhuǎn)移石墨烯的典型AFM圖像。從轉(zhuǎn)移的超平和粗糙石墨烯的AFM圖像發(fā)出的每5×5μm
2皺紋數(shù)的h直方圖。插圖:轉(zhuǎn)移的超平和粗糙石墨烯的AFM圖像。
Figure 2.轉(zhuǎn)移石墨烯的均勻性。GSE轉(zhuǎn)移的石墨烯(a)和PMMA轉(zhuǎn)移的石墨烯(b) SiO
2/Si晶片的空間薄層電阻圖。注意，GSE轉(zhuǎn)移的石墨烯的薄層電阻偏差為?6%.c，GSE轉(zhuǎn)移的(c)和PMMA轉(zhuǎn)移的(d)石墨烯的空間G峰位置圖。PMMA轉(zhuǎn)移的石墨烯的G波段的峰位置是藍移的。e拉曼G和2D峰位置的相關(guān)圖GSE和PMMA轉(zhuǎn)移的石墨烯。從每種類型的轉(zhuǎn)移石墨烯獲得總共225個拉曼光譜。黃星表示原始石墨烯的G和2D峰位置，既沒有摻雜也沒有應變。f 2D峰的全寬度，即GSE和PMMA轉(zhuǎn)移的石墨烯的半最大值(Γ
2d)。實線是Γ
2d的分布函數(shù)的擬合線。
Figure3.轉(zhuǎn)移石墨烯的電性能。a用PMMA和GSE傳輸石墨烯制造的兩種典型霍爾棒器件的傳輸特性比較。插圖：SiO
2/Si上石墨烯霍爾棒裝置的圖像。b GSE-和PMMA轉(zhuǎn)移石墨烯的FET遷移率直方圖。42個GSE轉(zhuǎn)移和18個PMMA轉(zhuǎn)移石墨烯器件的平均遷移率為6000 cm
2 V
−1s
−1和2000 cm
2 V
−1s
−1、恢復。c在不同溫度下，隨著GSE在SiO
2/Si上轉(zhuǎn)移石墨烯的磁場的變化，霍爾電阻的變化。插圖：SiO
2/Si上石墨烯霍爾棒裝置的圖像。d h-BN封裝轉(zhuǎn)移石墨烯的制造方案。e 300 K時，隨著磁場（B）的變化，h-BN封裝轉(zhuǎn)移石墨烯的霍爾電阻發(fā)生變化。插圖：h-BN包覆石墨烯霍爾棒裝置的圖像。f霍爾電阻（R
xy）（左軸）和縱向電阻（R
xx）（右軸）的變化是1.K時B的函數(shù)。g R
xx（左軸）和R
xy（右軸）作為1.K和8.T時后門（V
g）的函數(shù)。h R
xx作為B和V
g函數(shù)的2D等高線圖。破折號黑線顯示填充因子ν=±2、±6和±10處的LLs，以及由于LLs的簡并提升而出現(xiàn)的一些新的分數(shù)填充因子ξ=2/3、±4/3、7/3、±8/3。
Figure4.a石墨烯熱發(fā)射體示意圖。b GSE上的晶圓級石墨烯熱發(fā)射陣列轉(zhuǎn)移石墨烯。c 8×8石墨烯熱發(fā)射體的光學顯微鏡圖像。插圖：單石墨烯熱發(fā)射器件。d P=3.0 kW cm
-2時的熱發(fā)射圖像，照片由經(jīng)過假彩色處理的紅外相機拍攝。中心的亮點代表石墨烯發(fā)出的輻射。藍色虛線和黃色虛線分別表示石墨烯和金屬電極。e石墨烯發(fā)射體在P = 1.2–7.7 kW cm
-2處發(fā)出的發(fā)射光譜。f通過二維峰位置的移動獲得的石墨烯晶格溫度。溫度隨功率密度近似線性變化。誤差線表示不同功率密度下溫度的標準偏差。
相關(guān)研究工作由北京大學HailinPeng課題組和國防科技大學ShiqiaoQin課題組于2022年共同發(fā)表于《NatureCommunications》期刊上，原文：Integratedwafer-scaleultra-flatgraphenebygradientsurfaceenergymodulation。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
