自2004年被發(fā)現(xiàn)以來，石墨烯因其非凡的特性而備受關(guān)注，其中包括極高的載流子遷移率。然而，只有使用需要復(fù)雜且昂貴的制造方法的技術(shù)才能觀察到高載流子遷移率。現(xiàn)在，Chalmers的研究人員使用更便宜和更簡單的方法報(bào)告了石墨烯的驚人高電荷載流子遷移率。

“這一發(fā)現(xiàn)表明，轉(zhuǎn)移到廉價(jià)且靈活的基板上的石墨烯仍然具有不折不扣的高遷移率，它為石墨烯納米電子學(xué)的新時(shí)代鋪平了道路，”查爾姆斯理工大學(xué)研究員穆尼斯汗說。

石墨烯是單原子厚的碳原子層，被稱為世界上最薄的材料。由于其優(yōu)異的電氣、化學(xué)和材料特性，該材料已成為半導(dǎo)體、汽車和光電行業(yè)的熱門選擇。其中一項(xiàng)特性是其極高的載流子遷移率。

“在固態(tài)物理學(xué)中，電子載流子遷移率表征了電子在被電場拉動時(shí)能夠以多快的速度穿過金屬或半導(dǎo)體。石墨烯的高電子遷移率表明寬帶通信和高速電子設(shè)備在太赫茲開關(guān)速率。此外，其他材料特性，如高化學(xué)穩(wěn)定性、出色的透明度和對生化物質(zhì)的電敏感性，使其成為顯示器、光收集設(shè)備和生物傳感器的有前途的材料，”MunisKhan說。

然而，石墨烯中極高的載流子遷移率要么在機(jī)械剝離的石墨烯中觀察到，這是一種缺乏工業(yè)可擴(kuò)展性的工藝，要么是在六方氮化硼上制造的石墨烯器件。通過將通過稱為化學(xué)氣相沉積(CVD)的工藝生長的石墨烯轉(zhuǎn)移到復(fù)合氧化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，也觀察到了如此高的遷移率。所有這些技術(shù)都需要復(fù)雜且昂貴的制造方法，這不僅使其更加昂貴，而且阻礙了此類設(shè)備的大規(guī)模生產(chǎn)。

具有高載流子遷移率的更便宜的石墨烯

現(xiàn)在，MunisKhan和他的同事報(bào)告了CVD石墨烯驚人的高電荷載流子遷移率，該石墨烯生長在未拋光的銅箔上，并通過使用普通辦公室層壓機(jī)和濕法蝕刻銅轉(zhuǎn)移到EVA/PET層壓箔上。簡單地將石墨烯塑料三明治在60°C下保持幾個小時(shí)后，遷移率提高了八倍。

“這一發(fā)現(xiàn)表明，即使是廉價(jià)和靈活的石墨烯設(shè)備仍然可以具有毫不妥協(xié)的高移動性，”穆尼斯汗說。“我們的文章提出了一種在具有高載流子遷移率的柔性基板上制造廉價(jià)石墨烯器件的簡單方法，可能僅受CVD工藝和銅純度的限制。”

轉(zhuǎn)移到EVA/PET上的CVD石墨烯在柔性和可拉伸電子產(chǎn)品中得到了深入的探索和研究，特別是在形狀一致的系統(tǒng)中，如便攜式能量收集設(shè)備、電子皮膚和可穿戴電子設(shè)備等需要高柔韌性和可拉伸性的設(shè)備。傳統(tǒng)的半導(dǎo)體缺乏石墨烯所具有的優(yōu)異機(jī)械性能，這使得它們不適合此類應(yīng)用——通常需要具有高載流子遷移率的高導(dǎo)電柔性石墨烯薄膜。

“我們的觀察確實(shí)會擴(kuò)大這種柔性石墨烯薄膜在該領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。這也可能開啟柔性電子的新時(shí)代?，F(xiàn)在可以通過我們文章中提出的一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且簡單的方法來實(shí)現(xiàn)需要高導(dǎo)電薄膜的應(yīng)用。事實(shí)上，在我們的研究小組中，我們打算使用這種石墨烯薄膜來制造極其敏感的生物傳感器、太赫茲探測器和高頻器件，這些應(yīng)用也需要高載流子遷移率。挑戰(zhàn)將是集成微細(xì)加工技術(shù)以在柔性基板上制造器件。這些問題可能在2-3年內(nèi)得到解決，我們可以開始利用這種石墨烯薄膜制造工業(yè)用設(shè)備，”MunisKhan說。

關(guān)于發(fā)現(xiàn)

石墨烯在商業(yè)銅(Cu)箔上的化學(xué)氣相沉積(CVD)為實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量單層石墨烯提供了一條可擴(kuò)展的途徑。CVD方法基于沉積在襯底上的氣態(tài)反應(yīng)物。石墨烯在銅、鉑或銥等金屬表面上生長，之后它可以與金屬分離并轉(zhuǎn)移到特定要求的基板上。該過程可以簡單地解釋為含碳?xì)怏w在金屬催化劑的存在下在高溫(900-1100攝氏度)下反應(yīng)，金屬催化劑既可作為碳物質(zhì)分解的催化劑，又可作為碳物質(zhì)的表面。石墨烯晶格的成核。

研究人員發(fā)現(xiàn)，CVD石墨烯一旦通過熱壓層壓從銅轉(zhuǎn)移到EVA/PET(普通層壓袋)上，最初在500-1000cm2/(Vs)范圍內(nèi)表現(xiàn)出較低的載流子遷移率。但是，一旦這些薄膜在恒定的氮?dú)饬髦性?0℃下保持?jǐn)?shù)小時(shí)，遷移率就會增加八倍，并在室溫下達(dá)到6000-8000cm2/(Vs)。