石墨烯獨特的結構蘊含了豐富而新奇的物理，不僅為基礎科學提供了重要的研究平臺，同時在電子、光電子、柔性器件等諸多領域顯現(xiàn)出廣闊的應用前景。為了充分發(fā)揮石墨烯的優(yōu)異性質并實現(xiàn)其工業(yè)生產(chǎn)與應用，必須找到合適的材料制備方法，使所制備的石墨烯可以同時滿足大面積、高質量并與現(xiàn)有的硅工藝兼容等條件。到目前為止，大面積、高質量石墨烯單晶通常都是在過渡金屬表面外延生長而獲得的，但是，后續(xù)復雜的轉移過程通常會引起石墨烯質量的退化和界面的污染，從而阻礙了石墨烯在電子器件方面的應用。

圖1. Ru（0001）表面外延大面積、高質量石墨烯的SiO2插層及原位器件的制備。（a）-（d） SiO2插層及原位器件示意圖；（e）-（g）不同制備階段樣品的LEED表征；（h）石墨烯Hall器件的Raman mapping。

近年來，中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心納米物理與器件重點實驗室高鴻鈞院士帶領研究團隊在石墨烯及類石墨烯二維原子晶體材料的制備、物性調控及應用等方面開展了系統(tǒng)的研究和探索，取得了一系列重要研究成果。在早期的研究工作中，他們發(fā)現(xiàn)在過渡金屬表面外延生長的石墨烯具有大面積、高質量、連續(xù)、層數(shù)可控等優(yōu)點 ［Chin. Phys. 16， 3151 （2007）; Adv. Mater. 21， 2777 （2009）; 2D Mater. 6， 045044 （2019）］；他們進一步發(fā)展了基于該體系的異質元素插層技術，運用該技術可有效地避免復雜的石墨烯轉移過程，使大面積、高品質石墨烯單晶可以無損地置于異質元素插層基底之上 ［Appl. Phys. Lett. 100， 093101 （2012）; Appl. Phys. Lett. 99， 163107 （2011）］。隨后，他們成功地揭示了石墨烯無損插層的普適機制 ［J. Am. Chem. Soc. 137， 7099 （2015）］，并利用該插層技術實現(xiàn)了空氣中穩(wěn)定存在的石墨烯/硅烯異質結的構建［Adv. Mater. 30， 1804650 （2018）］和對石墨烯電子結構的調控 ［Nano Res. 11， 3722 （2018）; Nano Lett. 20， 2674 （2020）］。

圖2. （a） 薄層晶態(tài)二氧化硅插層樣品的截面STEM圖像；（b）高分辨STEM圖像顯示晶態(tài)二氧化硅的雙層結構；（c）界面處的EELS譜；（d）晶態(tài)二氧化硅表面石墨烯的STM圖像；（e）插層之后石墨烯的Raman光譜。

圖3. （a） 厚層二氧化硅插層樣品的界面STEM圖像，顯示界面處厚層二氧化硅的厚度達到1.8 nm，具有非晶態(tài)結構；（b） X射線光電子能譜；（c）低偏壓（《 10 mV）下，對不同厚度二氧化硅插層的樣品在垂直方向輸運性質測試；（d）基于不同厚度二氧化硅插層樣品的透射系數(shù)的計算。

在這一系列研究基礎之上，該研究團隊的博士后郭輝、博士生王雪艷和副主任工程師黃立等人經(jīng)過近十年的持續(xù)努力，實現(xiàn)了金屬表面外延高質量石墨烯的SiO2絕緣插層，并成功原位構筑了石墨烯電子學器件。他們首先在Ru（0001）表面實現(xiàn)了厘米尺寸、單晶石墨烯的外延生長；在此基礎上，他們發(fā)展了分步插層技術，通過在同一樣品上插入硅和氧兩種元素，在石墨烯和Ru基底的界面處實現(xiàn)了二氧化硅薄膜的生長；隨著硅、氧插層量的增加，界面處二氧化硅逐漸變厚，其結構由晶態(tài)轉變?yōu)榉蔷B(tài)；當二氧化硅插層薄膜到達一定厚度時，石墨烯與金屬基底之間絕緣；利用這一二氧化硅插層基底上的石墨烯材料，可實現(xiàn)原位非轉移的外延石墨烯器件的制備（圖1）。

圖4. 原位石墨烯霍爾器件的磁輸運測試。（a） 不同溫度下的SdH振蕩，插圖是低場范圍不同溫度下的磁阻變化；（b） 2 K下磁阻Rxx以及霍爾電阻Rxy隨磁場的變化；（c） 基于SdH振蕩的Landau能級指數(shù)n隨1/B的變化規(guī)律；（d） SdH振蕩振幅隨溫度變化的依賴關系；（e） 不同溫度下電導率在低場范圍的變化規(guī)律，與石墨烯的弱反局域理論很好的擬合；（f） 相干長度LΦ和散射速率τ?1φτφ?1隨溫度的變化關系。

實驗上首先通過截面掃描透射電子顯微鏡的研究，證明了薄層晶態(tài)二氧化硅的雙層結構，進一步結合掃描隧道顯微鏡及拉曼光譜的研究，表明二氧化硅插層之后石墨烯依然保持著大面積連續(xù)及高質量性質（圖2）；隨著硅、氧插層量的增加，掃描透射電鏡圖像顯示界面處二氧化硅的厚度可達1.8 nm；垂直方向輸運測試及理論計算表明，該厚層非晶態(tài)二氧化硅（1.8 nm）插層極大地限制了電子從石墨烯向金屬Ru基底的輸運過程，成功實現(xiàn)了石墨烯與金屬Ru基底之間的電學近絕緣（圖3）；最后，基于1.8 nm二氧化硅插層的樣品原位制備了石墨烯的電子學器件，并通過低溫、強磁場下的輸運測試觀測到了外延石墨烯的SdH振蕩、整數(shù)量子霍爾效應以及弱反局域化等現(xiàn)象（圖4）。這些現(xiàn)象都來源于石墨烯二維電子氣的本征性質，進一步證明1.8 nm非晶態(tài)二氧化硅的插層并沒有破壞石墨烯大面積、高質量的特性，而且有效地隔絕了石墨烯與金屬基底之間的耦合。該工作提供了一種與硅基技術融合的、制備大面積、高質量石墨烯單晶的新方法，為石墨烯材料及其器件的應用研究奠定了堅實的基礎。

責任編輯：PSY