Ge（110）襯底上石墨烯單晶疇取向生長的AFM、STM實驗觀察與DFT理論模擬

    近期，中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所信息功能材料國家重點實驗室SOI材料與器件課題組在鍺基石墨烯的取向生長機制方面取得進展。課題組研究人員發(fā)現(xiàn)襯底表面原子臺階對于石墨烯取向生長的重要性，并且與華東師范大學合作借助于第一性原理DFT理論計算分析得到石墨烯單晶疇在（110）晶面的鍺襯底上取向生長的物理機理，為獲得晶圓級的單晶石墨烯材料奠定了實驗與理論基礎(chǔ)，有助于推動石墨烯材料真正應(yīng)用于大規(guī)模集成電路技術(shù)。相關(guān)研究成果以How graphene islands are unidirectionally aligned on Ge（110） surface 為題于近期發(fā)表在Nano Lett., 2016, 16 （5）， pp 3160–3165上。

    石墨烯憑借其優(yōu)異的電學性能被人們認為是后硅CMOS時代最有競爭力的電子材料之一，SOI材料與器件課題組于2013年在國際上首次實現(xiàn)了用鍺基襯底CVD法生長大尺寸連續(xù)單層石墨烯（Sci. Rep. 3（2013）， 2465），實現(xiàn)了石墨烯與半導體的集成。韓國三星公司在此基礎(chǔ)上將鍺基石墨烯的研究工作推廣至單晶晶圓級別（Science 344, 286–289 （2014），在（110）晶面的鍺襯底上通過生長一系列取向相同的石墨烯單晶疇進而無縫拼接為晶圓級的高質(zhì)量單晶石墨烯材料，然而相關(guān)取向生長的物理機制一直不明確。SOI課題組戴家赟、狄增峰等研究人員發(fā)現(xiàn)在原子臺階密度高的鍺襯底表面上生長的石墨烯晶疇通常位于臺階邊緣，并且具有高度取向性；而在經(jīng)過高溫退火處理平坦的表面上生長的石墨烯取向性差。通過第一性原理DFT理論計算發(fā)現(xiàn)鍺原子與碳原子在臺階邊緣處形成的強烈的Ge-C化學鍵以及兩者的晶格匹配關(guān)系決定了石墨烯晶疇的取向性。對于石墨烯取向一致機理的研究，有助于加深對CVD生長石墨烯的過程中微觀機制的了解，推動石墨烯真正應(yīng)用于微電子領(lǐng)域。

    該工作得到國家自然科學基金委創(chuàng)新研究群體、優(yōu)秀青年基金、中國科學院高遷移率材料創(chuàng)新研究團隊等相關(guān)研究計劃的支持。