中国科学院:晶园级石墨烯电子材料与器件研究 取得阶段性成功

日期:2017-07-29 人气: 编辑:jutan 来源:未知

单原子层石墨烯(graphene)和六方氮化硼(h-BN)是两种典型的二维晶体材料,其晶格结构相似但是电学性能迥异。石墨烯/h-BN异质结对于基础研究和器件探索具有重要意义,因而备受业界关注。中国科学院上海微系统与信息技术研究所石墨烯研究团队采用化学气相沉积(CVD)方法,在CuNi催化衬底上成功制备了高质量单层石墨烯/h-BN平面异质结,并在高质量异质结上集成MoS2和WSe2进行了二维光电探测器件验证,相关研究成果在Advanced Science上发表(DOI: 10.1002/advs.201700076)。

石墨烯/h-BN平面异质结的制备一般采用依次沉积石墨烯和h-BN,或者相反次序来实现。由于两种材料在高温条件下会相互反应,导致前序晶体的生长对后续晶体形核会产生影响,而后续晶体生长时容易对前序晶体晶格结构产生腐蚀,正是因为这些原因,目前文献报导石墨烯/h-BN平面异质结的质量普遍不尽如人意。上海微系统所团队基于其之前在铜镍合金衬底上生长高质量h-BN(Nat. Commun. 2015, 6:6160)和石墨烯单晶(Nat. Mater. 2016, 15:43)的研究基础,充分利用CuNi衬底的催化能力以及h-BN和石墨烯生长速度的巨大差异,通过先沉积h-BN后生长石墨烯,成功制备了高质量石墨烯/h-BN平面异质结。

由于铜镍合金上graphene生长速度极快,较短的沉积时间减小了石墨烯生长过程中对h-BN晶体的破坏;同时由于铜镍合金优异的催化能力,生长h-BN后衬底表面非常干净,消除了石墨烯的随机成核,使得石墨烯只在三角状h-BN单晶畴的顶角处形核并沿h-BN边界取向生长。该团队进一步和美国莱斯大学Jun Lou教授课题组等合作,在高质量石墨烯/h-BN平面异质结的基础上,提出并设计了以石墨烯作接触电极,h-BN作绝缘衬底,集成MoS2和WSe2二维半导体晶体材料制备二维光电探测器件,验证了石墨烯/h-BN平面异质结的结晶质量和电学性能,为基于该异质结材料平台开展基础研究和光电器件探索提供了基础。

该工作得到了科技部重大专项“晶园级石墨烯电子材料与器件研究”,中国科学院和上海市科委相关研究计划,以及中国科学院大学博士研究生国际合作培养计划等项目的支持。