Ga对在AlN衬底上直接生长石墨烯的远程催化

doi:10.7503/cjcu20210210

高等学校化学学报 ›› 2021, Vol. 42 ›› Issue (7): 2271.doi: 10.7503/cjcu20210210

Ga对在AlN衬底上直接生长石墨烯的远程催化

柳扬¹, 李清波¹(), 孙杰²(), 赵显¹

^1.山东大学光学高等研究中心, 激光与红外系统集成技术教育部重点实验室, 青岛 266237
^2.齐鲁工业大学(山东省科学院)电子信息工程学院, 济南 250353

收稿日期:2021-03-29 出版日期:2021-07-10 发布日期:2021-05-31
通讯作者: 李清波 E-mail:201999900066@sdu.edu.cn;sunjie2017@qlu.edu.cn
作者简介:孙杰, 男, 博士, 副教授, 主要从事二维材料的光电特性理论研究. E-mail: sunjie2017@qlu.edu.cn
基金资助:
山东大学基本科研业务费专项资金(62350079614137)

Direct Synthesis of Graphene on AlN Substrates via Ga Remote Catalyzation

LIU Yang¹, LI Qingbo¹(), SUN Jie²(), ZHAO Xian¹

^1.Center for Optics Research and Engineering，Key Laboratory of Laser & Infrared System，Ministry of Education，Shandong University，Qingdao 266237，China
^2.School of Electronic and Information Engineering，Qilu University of Technology（Shandong Academy of Sciences），Jinan 250353，China

Received:2021-03-29 Online:2021-07-10 Published:2021-05-31
Contact: LI Qingbo E-mail:201999900066@sdu.edu.cn;sunjie2017@qlu.edu.cn
Supported by:
the Fundamental Research Funds of Shandong University, China(62350079614137)

摘要/Abstract

摘要：

通过镓(Ga)远程催化, 采用化学气相沉积(CVD)方法在氮化铝(AlN)衬底上直接生长石墨烯薄膜. 研究了生长温度、催化剂距离对石墨烯生长及其光学性质和电学性质的影响规律. 结果表明, 在生长温度1070 ℃下可以制备厚度约为5层的石墨烯薄膜, Ga周围1.4 cm范围内可以得到厚度均匀的石墨烯薄膜. 通过透光率和方阻表征了石墨烯的光学和电学性质, 结果表明, 400~800 nm波长范围内石墨烯薄膜透光率可达90%以上, 方阻约为230 Ω/□. 第一性原理计算结果表明, 石墨烯仍保持金属性, AlN衬底对石墨烯有吸附掺杂作用, 可有效降低石墨烯的方阻, 改善石墨烯和衬底的电学接触.

关键词: 镓远程催化, 氮化铝, 石墨烯, 密度泛函理论, 透光率, 方阻

Abstract:

Graphene films were directly grown on AlN substrates by chemical vapor deposition（CVD） via Ga remote catalyzation. The effects of growth temperature and catalyst distance on the growth， optical and electrical properties of graphene were studied. The results show that graphene films with thickness of about 5 layers can be prepared at 1070 ℃ and uniform thickness can be obtained within 1.4 cm around Ga. The optical and electrical properties of graphene were characterized by transmittance and square resistance. The results show that the transmittance of graphene film can reach more than 90% in the wavelength range of 400—800 nm， and the square resistance is about 230 Ω/□. First principles calculations results show that graphene remains metallic， and AlN substrate has adsorption doping effect on graphene， which can effectively reduce the square resistance of graphene and improve the electrical contact between graphene and substrate.

Key words: Ga remote catalyzation, AlN, Graphene, Density functional theory, Transmittance, Sheet resistance

中图分类号:

O613

TrendMD:

柳扬, 李清波, 孙杰, 赵显. Ga对在AlN衬底上直接生长石墨烯的远程催化. 高等学校化学学报, 2021, 42(7): 2271.

LIU Yang, LI Qingbo, SUN Jie, ZHAO Xian. Direct Synthesis of Graphene on AlN Substrates via Ga Remote Catalyzation. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(7): 2271.

图/表 10

Scheme 1 Schematic illustration of CVD process for growing graphene films on AlN subtrates

Fig.1 Optical images of samples at different growth temperatures 1030(A), 1050(B) and 1070 ℃(C)

Fig.2 Raman spectra of samples at different growth temperatures 1030(a), 1050(b) and 1070 ℃(c)

Fig.3 SEM images of graphene samples dropping Ga directly on AlN substrate(A,B), design diagram of remote catalytic distance(C) and Raman spectra of graphene films on different locations S1, S2 and S3(D)

Fig.4 XPS survey spectrum of G?1070

Fig.5 Transmittance characteristics of G?1050 and G?1070

Table 1 Average transmittance and sheet resistance of as-prepared samples

Sample	Average transmittance（%）	Sheet resistance/（Ω?□^-1）
G?1050	86	1150
G?1070	90	230
Commercial ITO	<80	<100

Fig.6 Formation energies of decomposition of CH4via Ga catalyzationInset: the corresponding geometric configuration of decomposition of CH4via Ga catalyzation before and after configuration optimization.

Fig.7 AlN/graphene interface structure of top view(A) and side view(B), energy band structure of graphene on AlN(C)

Scheme 2 Schematic illustration of graphene growth mechanism via Ga remote catalyzation

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