石墨烯技術(shù)全解析

　　這種材料的先驅(qū)者是英國曼徹斯特大學(xué)的Andre Geim和Konstantin Novoselov，他們?cè)?004年發(fā)表了他們關(guān)于這種新形式碳的突破性發(fā)現(xiàn)。從那時(shí)起他們已聲名大噪，并在2010年因他們的努力而獲得諾貝爾獎(jiǎng)。而在他們的發(fā)現(xiàn)之後，石墨烯的研究已如雨後春筍般展開，而且這種材料的商業(yè)利益也開始起飛。然而，石墨烯將無法實(shí)現(xiàn)其在很多方面具有成為對(duì)人類有益的神奇材料的潛力，除非其能夠以工業(yè)化生產(chǎn)的過程加以大量制造。

　　Graphensic公司是瑞典Link?ping 大學(xué)的一家分拆公司，我們是目前屈指可數(shù)能夠解決這個(gè)問題的公司中的一家。我們利用獨(dú)特的制造方法與高溫制程，在SiC基板上生產(chǎn)高品質(zhì)的石墨烯薄膜。

　　Graphensic的起源

　　對(duì)於我們來說，我們公司的成立是自然進(jìn)化而成。當(dāng)我們還在Link？ping大學(xué)努力時(shí)，我們收到越來越多關(guān)於材料和研究合作的請(qǐng)求。但這些請(qǐng)求最終超過了我們?cè)跓o財(cái)務(wù)資助的研究合作中所能夠管理的，而在當(dāng)時(shí)的那個(gè)時(shí)間點(diǎn)，成立一家公司就成了一個(gè)明顯可行的步驟。我們?cè)?011年底時(shí)決定了這樣做。我們不僅直接銷售制造的材料，還透過開發(fā)計(jì)劃藉由客戶銷售以發(fā)展公司。

　　利用石墨烯所開發(fā)和生產(chǎn)的產(chǎn)品，需要一個(gè)能夠穩(wěn)定且可靠地供應(yīng)此材料的方法。雖然已有幾家公司能滿足此一需求，但它們之間的主要差別之一，是他們是在不同的基礎(chǔ)上生產(chǎn)不同類型的石墨烯。所制造的石墨烯可以是單層的碳原子層（單層石墨烯），或兩層或更多層的此元素（分別是雙層和多層石墨烯）。它可以是薄片狀、或是在如金屬或SiC的基板上。Graphensic公司是世界上少數(shù)幾家能夠生產(chǎn)高品質(zhì)的碳化矽基石墨烯的專業(yè)公司之一。

　　薄片狀的石墨烯可以用不同的方法來制造。其中有透明膠帶方法，它是諾貝爾獎(jiǎng)得主制作第一個(gè)樣本時(shí)所用的方法，另外也有化學(xué)方法，如那些任職於英國Graphene Industries公司的員工所用的方法。從成本角度做考量時(shí)，這些制程是很有吸引力的，但是其形成的石墨烯太小，而無法讓其被運(yùn)用於各種電子應(yīng)用上。

　　而更大尺寸的石墨烯則是在金屬或SiC上生產(chǎn)。西班牙的Graphenea公司提供了後一種類型的產(chǎn)品，這是用來將石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到元件活化區(qū)域上的一種彈性聚合物或矽材料。利用這種方式來運(yùn)用石墨烯時(shí)，使用金屬做為基板會(huì)比用SiC還來得好，因?yàn)槠淇梢越档突宄杀尽?/p>

　　那什麼是SiC的益處呢？它不是用來將石墨烯轉(zhuǎn)移到另一種材料，因?yàn)閺募夹g(shù)的角度來看，這個(gè)轉(zhuǎn)移過程是相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性的，因?yàn)槠鋾?huì)緊密鍵合到基板上，再加上化學(xué)品和設(shè)施的花費(fèi)，因此成本很高。但grephene-on-SiC最適合用在需要有SiC基板，以形成無論是元件活化區(qū)的一部分，或是作為一個(gè)合適模板的應(yīng)用上。而這是有可能的，因?yàn)樘蓟峁┝松锵嗳菪院突瘜W(xué)惰性。

　　利用金屬和SiC做為基板之間的主要差別是，金屬永遠(yuǎn)是可導(dǎo)電的，而碳化矽可以是半絕緣性或具有摻雜的。這賦予了graphene-on-SiC適合用在各種電子應(yīng)用上的優(yōu)點(diǎn)，并可以鎖定無論是片狀石墨烯和SiC-on-metals產(chǎn)品都無法進(jìn)入的市場(chǎng)目標(biāo)。而且也有這三類產(chǎn)品都能競(jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)。在這些情況下，制程和成本方面的問題將決定哪種型式才會(huì)是最成功的。

　　基板與制程

　　我們?cè)?H和4H的SiC基板上生產(chǎn)石墨烯薄膜。雖然這些產(chǎn)品在商業(yè)化上可達(dá)到150mm的直徑，但仍然有一些關(guān)於基板缺陷和較大的能隙需要考慮的一些問題。由於後者的關(guān)系，我們也有興趣在石墨烯的基礎(chǔ)上開發(fā)立方碳化矽（3C-SiC）的形式。

　　在我們形成石墨烯的制程中，SiC基板具有雙重作用，既作為前驅(qū)物也同時(shí)是磊晶所需的基板。當(dāng)基板在氣體環(huán)境中被加熱到1500-1600°C時(shí)，SiC的氣化物即會(huì)開始離開表面，并自行重新排列以形成緩沖層。然後石墨烯就會(huì)在其上方形成。

　　利用這種方法所形成的石墨烯本質(zhì)，會(huì)強(qiáng)烈地受到制程溫度的影響。當(dāng)SiC氣化時(shí)，則矽與碳原子數(shù)的比例會(huì)有所變化，而且依條件的不同會(huì)有所不同。矽具有較高的蒸氣壓，因此低溫時(shí)矽相對(duì)於碳的比例會(huì)比較大，并且隨著溫度的升高而降低到接近理想的比例1。因此在這種情況下，施加如2000°C的高溫是有利的，其可以釋出相近數(shù)目的矽和碳原子。

　　此制程能夠在大面積的晶圓上產(chǎn)出高品質(zhì)的單層石墨烯。此一成功在某些程度上反應(yīng)了我們?cè)贚ink？ping大學(xué)時(shí)關(guān)於SiC的堅(jiān)強(qiáng)背景。在此機(jī)構(gòu)中，已經(jīng)在SiC的成長(zhǎng)上發(fā)展了快20年的時(shí)間。早期被開發(fā)出來的方法，范圍從液相磊晶─這是由一項(xiàng)要在瑞典北部的Esrange利用探空火箭MASER7所產(chǎn)生的微重力中制造世界上第一的SiC成長(zhǎng)所開始的計(jì)劃─到各種昇華成長(zhǎng)的方法。

　　基板問題

　　如前所述，市售的六方晶系形式的SiC主要是用於形成石墨烯。這提供了晶體和材料行為的有趣特性。那是因?yàn)檫@些種類的SiC是具有極性的，其相對(duì)側(cè)是由矽或碳原子做為終止的。這樣的兩個(gè)表面在表面自由能上具有重要的差異，而這也說明了要在碳表面上制備石墨烯會(huì)比在矽表面上還面臨更大的挑戰(zhàn)。

　　而另一個(gè)挑戰(zhàn)是源於低指數(shù)晶面的不完美方向性。這個(gè)SiC基板的微小偏軸方向性創(chuàng)造了原子臺(tái)階，而且當(dāng)此晶圓被加熱時(shí)，其表面會(huì)重新排列并進(jìn)行一個(gè)階褶（step-bunching）的過程：初始的小臺(tái)階會(huì)轉(zhuǎn)變成較大的臺(tái)階，并具有較大的露臺(tái)和臺(tái)階邊緣。通常單層石墨烯是形成在露臺(tái)上，而雙層石墨烯則是形成在臺(tái)階邊緣。

　　表面重排是一個(gè)在碳化矽中的自然過程，其與第一層原子層重排成緩沖層。在石墨烯中，這被認(rèn)為會(huì)誘發(fā)摻雜，其在某些應(yīng)用中是不被允許的。為了避免這種情況發(fā)生，一些研究人員正試圖將graphene-on-SiC曝露於某些能夠穿透到石墨烯層的元素中，并將其緩沖層改變成石墨烯層。而在此一努力中所獲得的成功，也因而創(chuàng)造出不需要緩沖層的雙層石墨烯。