​三单位联合AM：AIMD理论模拟！无转移准悬浮石墨烯

石墨烯的直接生长在绝缘体上提供晶圆级均匀性对于电子和光电应用至关重要。然而，迄今为止它仍然是一个挑战，因为它需要一种与金属完全不同的增长模式。在此，苏州大学刘忠范、孙靖宇、黄丽珍，国家纳米中心高腾，中国石油大学赵文等展示了使用界面去耦化学气相沉积策略在硅片上无金属催化剂生长准悬浮石墨烯。在生长过程中使用低于常规的 H₂剂量和同时引入甲醇可以有效地削弱合成的石墨烯与底层基板之间的相互作用。因此可以微调生长模式，生产出具有晶圆级均匀性的主要单层石墨烯薄膜。

因此，在4英寸Si晶片上生长的石墨烯能够无转移地制造基于石墨烯的高性能场效应晶体管阵列，该阵列在电荷中性点几乎没有变化，表明石墨烯具有准悬浮特性。此外，可以实现高达15000 cm² V^-1 s^-1 的载流子迁移率。预计这项研究将为实用石墨烯器件在电介质上合成晶圆级高质量石墨烯提供有意义的理解。

图4。理论模拟。a) AIMD模拟显示在模拟气体反应系统 (CH₄ + CH₃OH + H₂)中0、1.00、2.00、5.20和10.00 ps的持续时间产生OH/H₂O物质。b) AIMD 模拟显示在1500 °C下，在富含OH/H₂O的气氛中，Si封端的二氧化硅(001)表面的构型演变，时间进展为0、0.20、1.00、3.00 和 10.00 ps。c)不同构型的分布图作为 H₂(μ_H2)和OH (μ_OH)化学势的函数。蓝色（红色）虚线箭头表示1120 °C (1060 °C)的实验条件。d) SiO₂-Gr、Si-H-Gr和Si-OH-Gr 三种不同构型的界面距离和结合能的DFT计算。

为了获得关于准悬浮石墨烯在Si表面上直接生长的理论解释，进行了密度泛函理论 (DFT)计算。首先，绘制了作为H₂和OH化学势函数的不同配置（包括Si封端的SiO₂、O 封端的SiO₂、H封端的Si和OH封端的Si表面）的分布（图4c）。可以观察到，Si封端的SiO₂、H封端的Si和OH封端的Si表面的形成在能量上是有利的，而O封端的SiO₂构型难以形成。

为了探索温度效应，标记了指示1120和1060°C的箭头剖面，说明了所采用实验条件的类似。从这个意义上说，由沉积在暴露于硅的二氧化硅（001）表面上的石墨烯组成的三种松弛混合结构得到了进一步优化。与无端接（3.53 Å）和H端接（3.92 Å）方案相比，OH端接表面和石墨烯之间的松弛层间距离（4.40 Å）更大，表明两者之间的相互作用减弱。根据计算的距离，三个系统的结合能(E_b) 分别为 -2.91(SiO₂-Gr)、-2.30 (Si-H-Gr)和 -1.15 eV (Si-OH-Gr)（图4d）。OH封端的Si表面的E_b值最低，表明Si-OH代替Si-H的存在解耦了界面相互作用，这将有利于单层准悬浮石墨烯的形成。

Haina Ci, Jingtao Chen, Hao Ma, Xiaoli Sun, Xingyu Jiang, Kaicong Liu, Jingyuan Shan, Xueyu Lian, Bei Jiang, Ruojuan Liu, Bingzhi Liu, Guiqi Yang, Wanjian Yin, Wen Zhao*, Lizhen Huang*, Teng Gao*, Jingyu Sun*, Zhongfan Liu. Transfer-Free Quasi-Suspended Graphene Grown on a Si Wafer Advanced Materials, 2022

https://doi.org/10.1002/adma.202206389