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       對于先進的電子設備，將大型二維(2D)材料集成到半導體晶片上是非常理想的，但是仍然存在諸如與轉移相關的裂紋，污染，起皺和摻雜之類的挑戰。在這里，我們開發了一種通過梯度表面能調制的通用方法，從而使石墨烯可靠地粘附并釋放到目標晶片上。所獲得的晶片規模的石墨烯表現出無損傷、清潔和超平坦的表面，摻雜可忽略不計，得到均勻的薄層電阻，偏差僅為6%。在SiO₂/Si上轉移的石墨烯表現出高達~10000 cm² v^-1的高載流子遷移率，在室溫下觀察到量子霍爾效應(QHE)。h-BN封裝后，在1.7K處出現分數量子霍爾效應(FQHE)，產生約280000 cm² v^-1 s^-1的超高遷移率。集成的晶圓級石墨烯熱發射器在近紅外(NIR)光譜中顯示出顯著的寬帶發射。總體而言，所提出的方法有望在先進的電子學和光電子學中將來集成晶圓級2D材料。
 
Figure1.通過梯度表面能調控實現晶圓級石墨烯集成。通過梯度表面能調制進行晶圓級超平石墨烯轉移的示意圖。b轉移介質的結構，其中設計了具有梯度表面能的不同層(γ₁>γ₂，γ₃≥γ₄)。左右圖顯示了面板(a)中的粘附和釋放程序。請注意，SiO₂/Si(γ₁)的表面能大于石墨烯/冰片(γ₂)的表面能，如中間圖片所示，可實現可靠的附著力。而且，PDMS(γ₄)的表面能最低，導致石墨烯完整釋放到目標基板上。c根據測量的接觸角計算出不同表面的表面能。圖例:顯示不同表面水接觸角的圖像。誤差條表示不同表面的表面能和接觸角的標準偏差。SiO₂/Si晶片上4英寸轉移石墨烯的光學圖像。轉移石墨烯覆蓋的e直方圖。插圖:轉移石墨烯的光學顯微鏡圖像。GSE轉移的石墨烯和PMMA轉移的石墨烯的電子顯微鏡成像。g從80張GSE轉移的AFM圖像和50張PMMA轉移的石墨烯的AFM圖像中，每10×10μm²的粒子數直方圖。圖例:GSE轉移和PMMA 轉移石墨烯的典型AFM圖像。從轉移的超平和粗糙石墨烯的AFM圖像發出的每5×5μm²皺紋數的h直方圖。插圖:轉移的超平和粗糙石墨烯的AFM圖像。 
 
Figure 2.轉移石墨烯的均勻性。GSE轉移的石墨烯(a)和PMMA轉移的石墨烯(b) SiO₂/Si晶片的空間薄層電阻圖。注意，GSE轉移的石墨烯的薄層電阻偏差為?6%.c，GSE轉移的(c)和PMMA轉移的(d)石墨烯的空間G峰位置圖。PMMA轉移的石墨烯的G波段的峰位置是藍移的。e拉曼G和2D峰位置的相關圖GSE和PMMA轉移的石墨烯。從每種類型的轉移石墨烯獲得總共225個拉曼光譜。黃星表示原始石墨烯的G和2D峰位置，既沒有摻雜也沒有應變。f 2D峰的全寬度，即GSE和PMMA轉移的石墨烯的半最大值(Γ_2d)。實線是Γ_2d的分布函數的擬合線。 
 
Figure3.轉移石墨烯的電性能。a用PMMA和GSE傳輸石墨烯制造的兩種典型霍爾棒器件的傳輸特性比較。插圖：SiO₂/Si上石墨烯霍爾棒裝置的圖像。b GSE-和PMMA轉移石墨烯的FET遷移率直方圖。42個GSE轉移和18個PMMA轉移石墨烯器件的平均遷移率為6000 cm² V⁻¹s⁻¹和2000 cm² V⁻¹s⁻¹、恢復。c在不同溫度下，隨著GSE在SiO_2/Si上轉移石墨烯的磁場的變化，霍爾電阻的變化。插圖：SiO₂/Si上石墨烯霍爾棒裝置的圖像。d h-BN封裝轉移石墨烯的制造方案。e 300 K時，隨著磁場（B）的變化，h-BN封裝轉移石墨烯的霍爾電阻發生變化。插圖：h-BN包覆石墨烯霍爾棒裝置的圖像。f霍爾電阻（R_xy）（左軸）和縱向電阻（R_xx）（右軸）的變化是1.K時B的函數。g R_xx（左軸）和R_xy（右軸）作為1.K和8.T時后門（V_g）的函數。h R_xx作為B和V_g函數的2D等高線圖。破折號黑線顯示填充因子ν=±2、±6和±10處的LLs，以及由于LLs的簡并提升而出現的一些新的分數填充因子ξ=2/3、±4/3、7/3、±8/3。 
 
Figure4.a石墨烯熱發射體示意圖。b GSE上的晶圓級石墨烯熱發射陣列轉移石墨烯。c  8×8石墨烯熱發射體的光學顯微鏡圖像。插圖：單石墨烯熱發射器件。d P=3.0 kW cm^-2時的熱發射圖像，照片由經過假彩色處理的紅外相機拍攝。中心的亮點代表石墨烯發出的輻射。藍色虛線和黃色虛線分別表示石墨烯和金屬電極。e石墨烯發射體在P = 1.2–7.7 kW cm^-2處發出的發射光譜。f通過二維峰位置的移動獲得的石墨烯晶格溫度。溫度隨功率密度近似線性變化。誤差線表示不同功率密度下溫度的標準偏差。
 
       相關研究工作由北京大學HailinPeng課題組和國防科技大學ShiqiaoQin課題組于2022年共同發表于《NatureCommunications》期刊上，原文：Integratedwafer-scaleultra-flatgraphenebygradientsurfaceenergymodulation。

轉自《石墨烯研究》公眾號