石墨烯的直接生長在絕緣體上提供晶圓級均勻性對于電子和光電應用至關重要。然而，迄今為止它仍然是一個挑戰，因為它需要一種與金屬完全不同的增長模式。在此，蘇州大學劉忠范、孫靖宇、黃麗珍，國家納米中心高騰，中國石油大學趙文等展示了使用界面去耦化學氣相沉積策略在硅片上無金屬催化劑生長準懸浮石墨烯。在生長過程中使用低于常規的 H₂劑量和同時引入甲醇可以有效地削弱合成的石墨烯與底層基板之間的相互作用。因此可以微調生長模式，生產出具有晶圓級均勻性的主要單層石墨烯薄膜。

因此，在4英寸Si晶片上生長的石墨烯能夠無轉移地制造基于石墨烯的高性能場效應晶體管陣列，該陣列在電荷中性點幾乎沒有變化，表明石墨烯具有準懸浮特性。此外，可以實現高達15000 cm² V^-1 s^-1 的載流子遷移率。預計這項研究將為實用石墨烯器件在電介質上合成晶圓級高質量石墨烯提供有意義的理解。

圖4。理論模擬。a) AIMD模擬顯示在模擬氣體反應系統 (CH₄ + CH₃OH + H₂)中0、1.00、2.00、5.20和10.00 ps的持續時間產生OH/H₂O物質。b) AIMD 模擬顯示在1500 °C下，在富含OH/H₂O的氣氛中，Si封端的二氧化硅(001)表面的構型演變，時間進展為0、0.20、1.00、3.00 和 10.00 ps。c)不同構型的分布圖作為 H₂(μ_H2)和OH (μ_OH)化學勢的函數。藍色（紅色）虛線箭頭表示1120 °C (1060 °C)的實驗條件。d) SiO₂-Gr、Si-H-Gr和Si-OH-Gr 三種不同構型的界面距離和結合能的DFT計算。

為了獲得關于準懸浮石墨烯在Si表面上直接生長的理論解釋，進行了密度泛函理論 (DFT)計算。首先，繪制了作為H₂和OH化學勢函數的不同配置（包括Si封端的SiO₂、O 封端的SiO₂、H封端的Si和OH封端的Si表面）的分布（圖4c）。可以觀察到，Si封端的SiO₂、H封端的Si和OH封端的Si表面的形成在能量上是有利的，而O封端的SiO₂構型難以形成。

為了探索溫度效應，標記了指示1120和1060°C的箭頭剖面，說明了所采用實驗條件的類似。從這個意義上說，由沉積在暴露于硅的二氧化硅（001）表面上的石墨烯組成的三種松弛混合結構得到了進一步優化。與無端接（3.53 ?）和H端接（3.92 ?）方案相比，OH端接表面和石墨烯之間的松弛層間距離（4.40 ?）更大，表明兩者之間的相互作用減弱。根據計算的距離，三個系統的結合能(E_b) 分別為 -2.91(SiO₂-Gr)、-2.30 (Si-H-Gr)和 -1.15 eV (Si-OH-Gr)（圖4d）。OH封端的Si表面的E_b值最低，表明Si-OH代替Si-H的存在解耦了界面相互作用，這將有利于單層準懸浮石墨烯的形成。

Haina Ci, Jingtao Chen, Hao Ma, Xiaoli Sun, Xingyu Jiang, Kaicong Liu, Jingyuan Shan, Xueyu Lian, Bei Jiang, Ruojuan Liu, Bingzhi Liu, Guiqi Yang, Wanjian Yin, Wen Zhao*, Lizhen Huang*, Teng Gao*, Jingyu Sun*, Zhongfan Liu. Transfer-Free Quasi-Suspended Graphene Grown on a Si Wafer Advanced Materials, 2022

https://doi.org/10.1002/adma.202206389