二維原子晶體石墨烯，集高遷移率、高熱導(dǎo)率、優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度于一身，在電子學(xué)、光子學(xué)與光電子學(xué)等眾多領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。如高品質(zhì)石墨烯晶圓可作為下一代微納電子器件的關(guān)鍵組件，有望如同二十世紀(jì)六十年代興起的硅晶圓一樣，為電子學(xué)領(lǐng)域帶來重大突破。鑒于此，如何制備大面積高質(zhì)量的石墨烯薄膜以及如何準(zhǔn)確且可重復(fù)的表征其電學(xué)性質(zhì)顯得尤為重要。
化學(xué)氣相沉積（CVD）法作為具發(fā)展?jié)摿Φ母哔|(zhì)量石墨烯制備方法之一，近年來在晶圓尺寸石墨烯薄膜制備方面取得了一系列進(jìn)展。近日【北京大學(xué)劉忠范院士課題組與蘇州大學(xué)能源學(xué)院孫靖宇教授課題組近期在Small上發(fā)表題為“Controllable Synthesis of Wafer-Scale Graphene Films: Challenges, Status, and Perspectives”的綜述論文[1]，總結(jié)了目前CVD法制備晶圓尺寸石墨烯的進(jìn)展，強(qiáng)調(diào)了化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)與氣相流體動(dòng)力學(xué)對(duì)石墨烯生長基元步驟與批量化制備的影響，并對(duì)晶圓尺寸石墨烯制備領(lǐng)域今后的重點(diǎn)研究方向進(jìn)行了展望。文章指出目前晶圓石墨烯的生長面臨三個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)：（1）缺陷的存在，特別是褶皺，少層和多層控制生長和轉(zhuǎn)移相關(guān)的問題（圖一所示）；（2）晶界和不均勻石墨烯層的出現(xiàn)以及低生長速率也是亟待解決的問題；（3）生長和蝕刻過程中不可再生的金屬薄膜、不可避免的金屬殘留以及眾多缺陷仍然是嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
圖1 晶圓尺寸石墨烯薄膜的制備挑戰(zhàn)
為使晶圓石墨烯薄膜開發(fā)應(yīng)用于電子元件中，其電學(xué)表征勢在必行，且是必須的。介于此，西班牙Das Nano公司采用先進(jìn)的脈沖太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)創(chuàng)新性的研發(fā)出了一款針對(duì)大面積（8英寸wafer）石墨烯、半導(dǎo)體薄膜和其他二維材料百分百全區(qū)域的太赫茲無損快速表征測量設(shè)備-ONYX[2,3]。反射式太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)（THz-TDS）彌補(bǔ)了傳統(tǒng)接觸測量方法（如四探針法- Four-probe Method，范德堡法-Van Der Pauw和電阻層析成像法-Electrical Resistance Tomography）及顯微方法（原子力顯微鏡-AFM, 共聚焦拉曼-Raman，掃描電子顯微鏡-SEM以及透射電子顯微鏡-TEM）之間的不足和空白。實(shí)現(xiàn)了從科研到工業(yè)的大面積石墨烯及其他二維材料的無損和高分辨，快速的電學(xué)性質(zhì)測量，為石墨烯和二維材料科研和產(chǎn)業(yè)化研究提供了強(qiáng)大的支持。
另外，Das-nano公司也與英國國 家物理實(shí)驗(yàn)室（NPL，即英國國 家計(jì)量院）的科學(xué)家、意大利國 家計(jì)量院、西班牙Graphenea SA合作，共同完成了歐洲計(jì)量創(chuàng)新與研究計(jì)劃（EMPIR）中的“GRACE-石墨烯電學(xué)特性測量新方法”項(xiàng)目，發(fā)布了 個(gè)基于THz-TDS的全新非接觸測量方法及測量標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)手冊。為石墨烯及其他二維材料電學(xué)特性的快速高通量、非接觸測量方法的可靠性及標(biāo)準(zhǔn)化提供了很好的驗(yàn)證和指導(dǎo)，對(duì)實(shí)現(xiàn)未來石墨烯電子產(chǎn)品電氣測量的標(biāo)準(zhǔn)化具有重要意義。
石墨烯電導(dǎo)率非接觸測量方法及測量標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)手冊
ONYX主要功能
→ 直流電導(dǎo)率（σDC）
→ 載流子遷移率, μdrift
→ 直流電阻率, RDC
→ 載流子濃度, Ns
→ 載流子散射時(shí)間，τsc
→ 表面均勻性
新增功能
→ 介電常數(shù)ε’和 ε”
→ 特定頻率下的特性分析
→ 薄膜厚度測量
→ 吸收功率測量
ONYX應(yīng)用方向：
| 石墨烯 | 光伏薄膜材料 | 半導(dǎo)體薄膜 | 電子器件 |
| PEDOT | 鎢納米線 | GaN顆粒 | Ag 納米線 |
ONYX發(fā)表文章列舉：
[1]. Towards standardisation of contact and contactless electrical measurements of CVD graphene at the macro-, micro-and nano-scale.
Melios, C., Huang, N., Callegaro, L., Centeno, A., Cultrera, A., Cordon, A., Panchal, V., Arnedo, I., Redo-Sanchez, A., Etayo, D., Fernandez, M., Rozhko, S., Txoperena, O., Zurutuza, A. & Kazakova, O. Scientific Reports, 10(1), 1-11 (2020).
[2]. Transparent electrodes based on graphene
Fernández S, Gandía JJ, Inés A, Arnedo I, Boscá A, Pedrós J., Martínez J, Calle F. & Cárabe J., Nanotechnol Adv Mater Sci Volume 2(3): 1–3 (2019).
[3]. Mapping the conductivity of graphene with Electrical Resistance Tomography
Cultrera, A., Serazio, D., Zurutuza, A., Centeno, A., Txoperena, O., Etayo, D., Cordon, A., Redo-Sanchez, A., Arnedo, I., Ortolano, M. & Callegaro, L. Scientific Reports, 9(1), 1-9 (2019).
[4]. Advanced Graphene-Based Transparent Conductive Electrodes for Photovoltaic Applications
Fernández, S., Boscá, A., Pedrós, J., Inés, A., Fernández, M., Arnedo, I., González, J.P., de la Cruz, M., Sanz, D., Molinero, A., Fandan, R.S., Pampillón, M.á., Calle, F., Gandía, J.J., Cárabe, J., & Martínez, J. Micromachines, 10(6), 402 (2019).
[5]. Quality assessment of terahertz time-domain spectroscopy transmission and reflection modes for graphene conductivity mapping
Mackenzie, D. M., Whelan, P. R., B?ggild, P., Jepsen, P. U., Redo-Sanchez, A., Etayo, D., Fabricius, N. & Petersen, D. H. Optics express, 26(7), 9220-9229 (2018).
[6]. Mapping the electrical properties of large-area graphene
B?ggild, P., Mackenzie, D. M., Whelan, P. R., Petersen, D. H., Buron, J. D., Zurutuza, A., ... & Jepsen, P. U. 2D Materials, 4(4), 042003 (2017).
參考文獻(xiàn)：
[1] Bei Jiang et al., Controllable Synthesis of Wafer-Scale Graphene Films: Challenges, Status, and Perspectives, Small, 2021, DOI: 10.1002/smll.202008017
[2] Cultrera, A., Serazio, D., Zurutuza, A. et al. Mapping the conductivity of graphene with Electrical Resistance Tomography. Sci Rep 9, 10655 (2019).
[3] Melios, C., Huang, N., Callegaro, L. et al. Towards standardisation of contact and contactless electrical measurements of CVD graphene at the macro-, micro- and nano-scale. Sci Rep 10, 3223 (2020).
相關(guān)產(chǎn)品
