六角氮化硼绝缘基底上直接沉积石墨烯的研究

石墨烯在电子材料上的应用是当前物理、化学和材料等跨学科交叉研究的前沿。本项目提出不使用任何催化剂直接在绝缘的六角氮化硼（h-BN）基底上通过化学气相沉积制备层数可控的石墨烯薄膜。利用h-BN与石墨烯较小的晶格失配和相同的晶体结构，通过工艺改进实现在h-BN表面外延生长石墨烯，结合第一性原理计算揭示外延生长的机理；以生长机理为指导实现石墨烯薄膜的可控生长，特别是单层、双层及多层的调控；利用h-BN超平滑的表面及其宽禁带特性直接以h-BN为器件基底，在实现石墨烯层数可控和有效掺杂的基础上开展石墨烯电学输运特性及场效应的研究；这项研究为石墨烯在其他基底上直接生长以及石墨烯电子学器件的发展奠定了基础。

六角氮化硼被称为白色石墨烯，在未来高性能器件方面，与黑色石墨烯搭配形成黑白石墨烯搭配，将表现出最优异、最稳定的器件性能。本课题的研究方向和内容为：首先制备六角氮化硼，在其表面直接生长石墨烯，研究生长机制，并进行性能调控；在材料研究的基础上，研究石墨烯器件性能，为石墨烯电子学器件的发展奠定了基础。重要研究进展有：1）在氮化硼方面，实现了氮化硼薄膜的层数调控，并通过反应衬底的设计，使成核密度低于60每平方毫米，实现氮化硼单晶7500平方微米，是之前报道最大单晶尺寸的两个数量级，相关结果发表在Nat. Commun.上，高质量氮化硼薄膜和单晶为其应用研究提供了基础；2）石墨烯材料制备取得重要进展。化学气相沉积制备石墨烯薄膜方面，实现了在金属衬底、液相镓衬底和单晶锗衬底表面的生长，相关论文发表在Sci. Rep., Carbon, Adv. Func. Mater.等，其中金属衬底上得到的数毫米单晶为当时报道的最大尺寸，发表在Adv. Funct. Mater.上，在低至300摄氏度的条件下通过预设仔晶的方法获得了石墨烯连续膜，发表在Nanoscale上,在锗上首次报道石墨烯制备，发表在Sci. Rep.上，其后被三星相关工作发表在Science上，并引用了我们的工作。在剥离天然石墨制备石墨烯方面也取得了系列成果，包括液相直接剥离制备石墨烯水溶液的工作已经被Chem. Commun.接受，制备高质量石墨烯厚膜的工作发表在Chem. Mater.上；3）氮化硼表面直接生长石墨烯薄膜不断取得突破。首先揭示了氮化硼表面缺陷成核的机理及外延生长的机制，再利用较高分辨的原子力显微镜，直接观察大量的莫瑞条纹，并通过莫瑞条纹的研究直接证明了石墨烯晶格的排列和下面的氮化硼完全一致，为外延生长机制提供了直接的实验证据。4）石墨烯的性能研究及器件研究取得进展，包括石墨烯的掺杂，石墨烯电学特性研究等。在金属衬底上生长的石墨烯，其FET迁移率到达5000 cm2•V−1•s−1，在氮化硼表面直接生长的石墨烯迁移率到达10,000 cm2•V−1•s−1，相关成果发表在Sci. Rep.上。总体而言，在氮化硼材料研究，石墨烯材料研究，氮化硼上生长石墨烯及器件研究等方面都进行了较为深入和系统的工作，在石墨烯大单晶、氮化硼大单晶、石墨烯-氮化硼异质结和器件等方面获得重要进展。