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如果单晶石墨烯的成本大幅下降同样会怎样呢

作者: 武汉新闻网 更新时间: 2020年03月04日 09:12:12 游览量: 181

简述:

如果不是过去五十年来高质量单晶硅晶片成本的急剧下降,今天的电子行业看起来可能会大不相同。那么,如果单晶

如果不是过去五十年来高质量单晶硅晶片成本的急剧下降,今天的电子行业看起来可能会大不相同。那么,如果单晶石墨烯的成本大幅下降同样会怎样呢?ACS Nano报道的结果可能使这一点更加接近现实,因为它们表明单晶石墨烯可以在通常时间内的一小部分内生长,并且使用比平常所需便宜得多的多晶衬底。

如果单晶石墨烯的成本大幅下降同样会怎样呢

在过去的20年中,石墨烯的生产成本已经从每公斤数十万美元大幅下降到不到50美元。但是,利用材料的电子特性对晶体质量提出了更高的要求- 晶界,缺陷和位错都破坏了材料的电子行为-因此,电子级石墨烯的价格仍然很高。

化学气相沉积是生长优质石墨烯的最流行方法之一,但缺陷是不可避免的。在生长过程中修改参数,以便最终不形成其他成核位点可以促进单晶石墨烯的生长。但是,这种增长需要很长时间,因此成本很高。其他方法包括在单晶催化基底上生长,但是这些基底更昂贵,再次增加了成本。

相反,成均馆大学高级纳米技术研究所的Dongmok Whang和阿久大学的李在贤及其同事将一些单晶石墨烯转移到了多晶衬底上。他们在报告中表明,随后在多晶金属上生长碎片可以使它们结合在一起。因为它们都是从同一样品中转移的,所以每片的晶格都朝着相同的方向取向,没有晶界。Lee解释说:“如果假设合成温度,所用气体等相似,则可以将热预算和基板价格降低到四分之一。”

无缝增长

Lee解释说,在初步文献调查强调从石墨烯种子的边缘生长石墨烯所需的能量在理论上低于使新石墨烯种子成核所需的能量之后,他们提出了这个想法。“换句话说,人们认为在较低的能量条件下(例如,低浓度的前驱物或较低的生长温度),可以容易地抑制其他成核作用。”

Whang和Lee及其同事在使流程正常运行方面也具有领先优势。他们的种子生长过程取决于能否获得大面积的单晶单层石墨烯,而这在他们的生长中具有丰富的经验。另外,他们需要一种能够将对齐的种子干净地转移到多晶衬底上仔细间隔和对齐的位置的技术。幸运的是,他们先前还证明了,当在单晶锗的特定表面上生长石墨烯-Ge(110)时,在石墨烯与衬底之间的界面处会形成一个氢层,从而使其更易于转移。

即使从Ge(110)转移,缺陷也不可避免地蔓延,但研究人员还能够表明,通过在生长过程中减少一段时间的甲烷,蚀刻速率可能会超过生长速率,从而可以蚀刻掉现有的缺陷。

电子级石墨烯

为了确定哪种种子尺寸和间距最合适,Whang和Lee及其同事计算了所用温度和前体浓度的扩散长度。他们从原始的单晶石墨烯样品中切出10微米宽的“种子”,并将其转移到相距50微米的多晶铂中。在这里,他们生长了单晶石墨烯,覆盖了2 cm x 2 cm的面积。“由于我们的CVD系统的限制,很难将其生长到更大的尺寸。” “但是我们相信我们的方法可以完全应用于大型催化剂基材。”

多晶铂不仅便宜得多,而且它们可以循环使用衬底而不会损害所得单晶石墨烯的质量,因此其价格为每cm 2衬底100美元左右,而不是2000美元。他们希望,如果能够在多晶铜或铝箔上种植转移的种子,他们将能够进一步削减成本。

研究人员通过构建横跨两个转移种子部位的场效应晶体管器件,测试了从转移种子中生长的石墨烯的电子性质。电子迁移率的比较表明,转移的种子结合在一起时迁移率没有明显下降,左晶粒为11,811 V cm -1 s -1,右晶粒为10,844 V,中间为11,063 V cm -1 s -1。

其他二维材料?

研究人员使用石墨烯尝试了这一想法,因为人们对其石墨烯的生长行为已广为人知,特别是它仅由一种碳原子构成,从而简化了这一过程。他们希望将这种方法应用于二维材料,但需要研究如何管理非元素二维材料的不同前体。

“由于每种元素在催化剂中的溶解度和扩散速率不同,因此需要考虑许多变量,” Lee说。“但是,如果我们使用一种顺序使一种前驱物和另一种前驱物反应的工艺(例如原子层沉积(ALD)工艺),可以简化工艺参数,则可以生长出一种由各种二维材料制成的单晶单层膜。”

文章链接://jksh/25320.html

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