Les chercheurs ont utilisé la croissance par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) direct de graphène de haute qualité à l'échelle d'une tranche sur des diélectriques pour des applications polyvalentes. Cependant, le graphène synthétisé de cette manière a montré un film polycristallin avec des défauts incontrôlés, une faible mobilité des porteurs et une résistance élevée à la rue ; par conséquent, les chercheurs visent à introduire de nouvelles méthodes pour développer du graphène à l'échelle d'une plaquette. Dans un nouveau rapport maintenant publié dans Science Advances , Zhaolong Chen et une équipe de recherche internationale en nanochimie, matériaux intelligents et physique, en Chine, au Royaume-Uni et à Singapour, ont décrit la croissance directe de graphène monocouche hautement orienté sur des films de plaquettes de saphir. Ils ont réalisé la stratégie de croissance en concevant un CVD à induction électromagnétique à température élevée. Le film de graphène développé de cette manière a montré une mobilité de support nettement améliorée et une résistance de feuille réduite.

Le développement et les applications du graphène sur les matériaux.

Le graphène a une bonne robustesse mécanique, une grande mobilité des porteurs, une transparence optique accrue et est prometteur pour les applications à haute fréquence, ainsi que pour les électrodes conductrices transparentes. La dispersion linéaire des électrons de Dirac du graphène peut également permettre de cibler des dispositifs tels que des photodétecteurs et des modulateurs optiques. La plupart de ces applications reposent sur l'utilisation de graphène monocristallin à l'échelle d'une tranche sans contamination ni rupture. Alors que le graphène à grande mobilité et à l'échelle de la plaquette était facilement produit auparavant, l'uniformité du nombre de couches est restée insatisfaisante sur l'ensemble de la plaquette. Les chercheurs ont donc cherché à faciliter la synthèse directe du graphène sur l'oxyde de silicium, le nitrure de bore hexagonal (hBN) et le verre en utilisant des techniques classiques de dépôt chimique en phase vapeur. Dans ce travail, Chen et al. ont présenté la croissance directe de films de graphène monocouche continus et hautement orientés à l'échelle de la tranche sur du saphir via une méthode de dépôt chimique en phase vapeur basée sur le chauffage par induction électromagnétique. Cette approche de croissance directe de films de graphène hautement orientés sur des tranches de saphir a ouvert la voie à l'émergence de l'électronique et de la photonique au graphène.

Les expériences :graphène sur saphir

Au cours des expériences, Chen et al. utilisé le chauffage par induction électromagnétique comme source de chaleur du système de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) pour étendre l'espace des paramètres de croissance pendant la croissance du graphène de haute qualité. Le réacteur a permis une augmentation rapide de la température à 1400 degrés Celsius en 10 minutes. Le processus a permis une régulation précise de l'apport de charbon actif pour la croissance homogène du graphène monocouche. Pour comprendre le rôle du saphir lors de la formation du graphène, l'équipe a effectué des calculs de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT) pour révéler l'orientation préférée du domaine du graphène sur le saphir. Pour ce faire, ils ont modélisé l'adsorption d'un petit cluster de graphène (C₂₄ H₁₂ ) sur une plaque d'oxyde d'aluminium. Le modèle a montré la possibilité de croissance de graphène hautement orienté à l'échelle d'une plaquette sur du saphir, après un mécanisme de croissance guidé par couplage d'interface. La température élevée pendant la croissance a facilité une pyrolyse suffisante du méthane et la migration efficace du charbon actif adsorbé sur le saphir pour favoriser le taux de croissance et la qualité cristalline. Un film de graphène continu a recouvert la plaquette de saphir de 2 pouces en 30 minutes avec une transparence élevée.

Caractériser le film de graphène sur la tranche de saphir

En utilisant la microscopie électronique à balayage (MEB), Chen et al. ont noté un contraste homogène du graphène monocouche à couverture complète, sans aucun vide. En utilisant les spectres Raman du graphène produit sur le saphir, ils ont identifié des signaux Raman indiquant une monocouche de graphène de haute qualité et confirmé son uniformité à l'échelle de la plaquette. Les résultats de la microscopie optique ont également montré un contraste optique uniforme sans aucune contamination ni couches secondaires visibles. À l'aide de la microscopie à force atomique, ils ont ensuite identifié d'autres caractéristiques du graphène monocouche développé par la méthode CVD (dépôt chimique en phase vapeur). Une analyse plus poussée avec la microscopie électronique à transmission (TEM) a montré une grande uniformité sans contamination. La configuration expérimentale a permis la croissance de graphène monocouche en l'absence de gros amas de carbone en phase gazeuse et la présence de carbones individuels atteignant la surface du graphène pour migrer rapidement vers le bord du graphène. Pour comprendre les orientations du réseau de la monocouche de graphène sur saphir, l'équipe a effectué une caractérisation par diffraction d'électrons à basse énergie et a révélé la nature hautement orientée du graphène de la taille d'une tranche. Pour vérifier davantage les informations structurelles du matériau, ils ont effectué des mesures de diffraction électronique sur une zone sélectionnée et ont également noté l'architecture en réseau en nid d'abeille du graphène à l'aide d'images TEM à résolution atomique. La configuration expérimentale a permis aux noyaux d'atteindre l'orientation la plus stable.

Tests supplémentaires

Chen et al. ensuite effectué une microscopie à effet tunnel (STM) pour sonder l'état de couture des domaines de graphène. L'image STM a également révélé un réseau en nid d'abeilles, aligné sans aucun défaut. L'image à résolution atomique a en outre mis en évidence la présence d'un film continu avec une petite limite de grain. Les travaux ont également confirmé la réussite de l'ascension des marches en saphir causée par la réduction thermique au carbone du saphir. Les états de densité en forme de V ainsi que la caractéristique caractéristique de type cône de Dirac du graphène monocouche s'accordaient avec l'architecture en nid d'abeille pour rétablir la haute qualité et la pureté du film hautement orienté de graphène ainsi développé. Les scientifiques ont ensuite effectué des mesures macroscopiques de transport à quatre sondes pour évaluer la conductivité électrique à grande échelle du graphène de haute qualité tel que développé sur des plaquettes de saphir. Ils ont noté une carte de résistance de feuille d'une tranche de graphène/saphir de 2 pouces, avec une valeur moyenne aussi basse que 587 ± 40 ohms. Le résultat était nettement supérieur à celui du graphène directement cultivé sur des substrats de verre. L'équipe a ensuite mesuré la mobilité par effet de champ du graphène sur le saphir et enregistré sa densité de porteurs. Les valeurs étaient également nettement supérieures à celles observées avec le graphène directement cultivé sur des substrats diélectriques et des métaux. Les résultats sont prometteurs dans les applications électroniques et optoélectroniques.

Perspectives

De cette manière, Zhaolong Chen et ses collègues ont développé une méthode pour la croissance directe d'un film de graphène monocouche continu et hautement orienté à l'échelle d'une plaquette sur du saphir en utilisant une voie CVD de chauffage par induction électromagnétique. La méthode de synthèse a facilité une montée en température rapide jusqu'à 1 400 degrés Celsius en 10 minutes pour une pyrolyse efficace de la matière première carbonée afin de permettre la migration rapide des espèces actives. Cette voie synthétique efficace et fiable de graphène monocouche de haute qualité sur plaquette de saphir était compatible avec les processus de semi-conducteurs et peut finalement promouvoir l'électronique et l'industrialisation du graphène hautes performances. + Explorer plus loin

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