顧長志（前排右）課題組正在進行石墨烯納米器件加工。項目組供圖
■本報見習記者 辛雨
石墨烯以其獨特的結構和性能蘊含了豐富而新奇的物理與化學性質，成為集優良力學、熱學、光學和電學特性於一體的神奇材料，在信息器件與電路等領域具有廣闊的應用前景，是目前信息科學發展最為迅速和活躍的研究前沿之一。
近年來，石墨烯研究已取得了一系列重要進展，新發現、新成果不斷湧現，但總體來說在實用化信息器件方面仍面臨很多挑戰。特別是基於高質量大面積石墨烯的信息器件構築及其特性研究備受關注。
自2014年起，在國家自然科學基金重大項目「介電襯底上高質量大面積石墨烯信息器件的構築與特性研究」支持下，中國科學家瞄準領域研究前沿，針對石墨烯信息器件的一些關鍵基礎問題，開展新概念、新方法和新技術的研究，在石墨烯信息器件的重大科學問題上取得了一系列進展。
超級材料石墨烯獨特又完美
石墨烯是由單層碳原子緊密堆積而成的二維蜂窩狀晶體結構，這種獨特而完美的結構使它具有優異而新奇的特性。例如，石墨烯具有100倍於矽的超高載流子遷移率、高達130GPa的強度、很好的柔韌性，以及近20%的伸展率、超高熱導率、高達2600平方米每克的比表面積，並且幾近透明，在很寬的波段內光吸收只有2.3%。
這些優異的物理性質使石墨烯在射頻電晶體、超靈敏傳感器、柔性透明導電薄膜、超強和高導複合材料、高性能鋰離子電池和超級電容器等方面展現出巨大的應用潛力。
「高」「大」石墨烯製備絕非易事
「能否在介電襯底上大面積、高質量地製備石墨烯是其應用能否真正實現的關鍵前提和基礎,也是石墨烯研究領域的重點和熱點。」該重大項目負責人、中國科學院物理研究所研究員顧長志告訴《中國科學報》。
自2004年以來，科學家們已發展出多種製備石墨烯的方法，包括機械剝離法、SiC或金屬單晶表面外延生長法、化學氧化剝離法、插層剝離法及化學氣相沉積（CVD）法等。其中，CVD法由於具有可控性高、結晶質量好、均勻、薄膜尺寸大等優勢而成為製備石墨烯最為普遍的方法之一。
CVD法大多以過渡金屬為生長基底，藉助於其較高的化學催化活性，促進碳源裂解並在金屬表面吸附、擴散、成核、生長形成石墨烯。通過調控生長過程的參數，可以實現大面積、層數可控、高質量且結構均一連續的石墨烯薄膜，經過工藝優化，可實現超大面積石墨烯單晶生長。
值得一提的是，在實際應用過程中，金屬表面形成的石墨烯一般需要轉移至介電層上，才可以進行下一步的器件加工。複雜的轉移過程不可避免地帶來石墨烯的破損、褶皺，金屬、溶劑殘留汙染以及操作繁複、一致性差、成本高昂等問題。
為解決這一問題，研究者將目光投向了在介電襯底表面直接生長石墨烯。「如果能在介電襯底上直接可控制備大面積、高質量的石墨烯,就可以直接利用目前的微電子技術製備器件，實現與矽技術融合，這將會極大促進石墨烯的廣泛應用和長足發展。」項目組成員、中國科學院院士高鴻鈞表示。
然而，由於介電層表面能量較低，對碳源小分子的裂解以及石墨烯形成所產生的催化作用十分微弱，因而在介電襯底上直接生長石墨烯是一個研究難點。
長出「高」「大」石墨烯
如何將石墨烯的優異性能在器件中呈現出來？面對這一挑戰，項目組改進了石墨烯的生長手段，嘗試在多種介電襯底上生長石墨烯。
研究人員通過巧妙控制碳源的通入量和實驗溫度，利用掃描隧道顯微鏡直接觀測到石墨烯生長初期的前驅體單元，以及前驅體單元在石墨烯成核階段形成的鏈狀結構。課題負責人、中國科學院物理研究所研究員杜世萱向《中國科學報》表示：「前驅體的發現表明，可以考慮通過控制碳源的通入來影響前驅體的產生，進而實現高質量、大面積石墨烯的可控生長。」
基於此，該課題組在國際上首次提出並利用「插層法」實現原位、無損地將Si、Ge、Mg、Hf等幾種材料插入石墨烯與金屬的界面之間，並克服重重困難對插層結構進行原位氧化，經過無數次實驗摸索，終於獲得高絕緣性的介電插層，實現了介電襯底上高質量、大面積的石墨烯材料生長。同時，通過石墨烯量子器件的加工印證了介電插層的有效性，引起了國際同行的關注與好評。
此外，研究人員還採用非金屬催化的CVD方法，在多種絕緣基底上實現了微米尺度石墨烯單晶的直接生長和可控制備，獲得大面積均勻的單層石墨烯膜，薄膜尺寸達3英寸。「這也為項目後期石墨烯器件的構築與性能調控，以及高性能石墨烯器件的製備與優化提供了條件。」課題負責人、中國科學院化學研究所研究員於貴說。
為了將上述介電襯底上生長的高質量石墨烯應用於信息功能器件，中國科學院物理研究所研究員楊海方等人發明了一種雙層掩模工藝，實現了亞10納米石墨烯功能結構的精確、可控制備，解決了絕緣的介電襯底上利用電子束曝光製備石墨烯納米結構的難題。同時採用電子束曝光及紫外光刻混合曝光方法，在4英寸的介電襯底上實現了石墨烯傳感器器件和射頻電晶體陣列的精確、大面積、一致性高效製備。
石墨烯器件的批量製備與優化
具有眾多新奇特性的石墨烯被認為是一種非常有前景的信息功能材料。因此，電子器件和電路是石墨烯應用的首選領域，也是研究最為廣泛的領域。石墨烯可以應用於磁傳感器、高頻電路、氣體傳感、光傳感、柔性電子學等諸多方面。
顧長志告訴記者，項目組圍繞石墨烯應用於構築信息器件與電路的需求，在注意發展介電襯底上大面積、高質量石墨烯的可控制備及特性的同時，也積極探索基於石墨烯信息器件的構築與集成。「在研究信息功能的石墨烯納米結構製備及性能調控的基礎上，我們製備了多種石墨烯信息功能器件並對其性質進行了深入研究。」他說。
研究人員提出了一種石墨烯波紋結構應力傳感器，使應力測量範圍超過30%，並設計出基於隧穿效應的納米石墨烯薄膜應力傳感器，使靈敏因子提高到500以上。在實際應用中，可以根據需求選擇不同表面電阻和靈敏度的準連續石墨烯來構造應力傳感器。
「這種基於石墨烯隧穿效應的應力傳感器具有可拉伸、靈敏度高、穩定性強、透明等特點，其在人造皮膚、觸控螢幕等方面顯示了巨大的應用潛力。」顧長志說。
石墨烯超高的載流子遷移率、低載流子濃度和很好的穩定性，是製備霍爾元件的絕佳電子材料。
課題負責人、北京大學教授彭練矛發展了一種工藝簡單、成本低廉的石墨烯微加工技術，克服了器件接觸電阻大這一難題，批量製備出了具備超高靈敏度和解析度的石墨烯霍爾元件。該石墨烯霍爾元件的磁靈敏度達2093 V/AT ，解析度達1 mG/Hz0.5，是目前最為靈敏和精確的石墨烯霍爾元件。「這種高靈敏度的霍爾傳感器能夠探測更小的磁場，降低後端放大電路的成本，因而有巨大的市場應用前景。」彭練矛告訴《中國科學報》。
此外，研究人員基於柔性石墨烯霍爾傳感器，開發了一款柔性可穿戴位置傳感系統。「將傳感器貼在用戶手指上，當磁體靠近磁場源，根據霍爾效應，輸出的電壓會有一個跳變。我們通過記錄並處理電壓信號，創新性地實現了虛擬鍵盤、虛擬電子琴和無接觸密碼鎖的演示。」彭練矛介紹，這種高靈敏度的柔性磁傳感器有希望應用於無接觸密碼輸入、可穿戴娛樂和工業控制安全防護領域中。
此外，項目組還研製出具有獨立功能的石墨烯/矽基CMOS線性霍爾集成電路、石墨烯倍頻器、混頻器和短溝道器件等。這一系列具有自主智慧財產權的高性能新原理石墨烯信息器件，有效提升了我國石墨烯信息器件的自主研發能力和在該領域的學術影響力，同時也造就了一支創新能力強、多學科交叉的國際一流研究隊伍。
《中國科學報》 (2019-06-24 第4版 自然科學基金)