石墨烯技术全解析

　　这种材料的先驱者是英国曼彻斯特大学的Andre Geim和Konstantin Novoselov，他们在2004年发表了他们关于这种新形式碳的突破性发现。从那时起他们已声名大噪，并在2010年因他们的努力而获得诺贝尔奖。而在他们的发现之後，石墨烯的研究已如雨後春笋般展开，而且这种材料的商业利益也开始起飞。然而，石墨烯将无法实现其在很多方面具有成为对人类有益的神奇材料的潜力，除非其能够以工业化生产的过程加以大量制造。

　　Graphensic公司是瑞典Linköping 大学的一家分拆公司，我们是目前屈指可数能够解决这个问题的公司中的一家。我们利用独特的制造方法与高温制程，在SiC基板上生产高品质的石墨烯薄膜。

　　Graphensic的起源

　　对於我们来说，我们公司的成立是自然进化而成。当我们还在Link？ping大学努力时，我们收到越来越多关於材料和研究合作的请求。但这些请求最终超过了我们在无财务资助的研究合作中所能够管理的，而在当时的那个时间点，成立一家公司就成了一个明显可行的步骤。我们在2011年底时决定了这样做。我们不仅直接销售制造的材料，还透过开发计划藉由客户销售以发展公司。

　　利用石墨烯所开发和生产的产品，需要一个能够稳定且可靠地供应此材料的方法。虽然已有几家公司能满足此一需求，但它们之间的主要差别之一，是他们是在不同的基础上生产不同类型的石墨烯。所制造的石墨烯可以是单层的碳原子层（单层石墨烯），或两层或更多层的此元素（分别是双层和多层石墨烯）。它可以是薄片状、或是在如金属或SiC的基板上。Graphensic公司是世界上少数几家能够生产高品质的碳化矽基石墨烯的专业公司之一。

　　薄片状的石墨烯可以用不同的方法来制造。其中有透明胶带方法，它是诺贝尔奖得主制作第一个样本时所用的方法，另外也有化学方法，如那些任职於英国Graphene Industries公司的员工所用的方法。从成本角度做考量时，这些制程是很有吸引力的，但是其形成的石墨烯太小，而无法让其被运用於各种电子应用上。

　　而更大尺寸的石墨烯则是在金属或SiC上生产。西班牙的Graphenea公司提供了後一种类型的产品，这是用来将石墨烯薄膜转移到元件活化区域上的一种弹性聚合物或矽材料。利用这种方式来运用石墨烯时，使用金属做为基板会比用SiC还来得好，因为其可以降低基板成本。

　　那什麽是SiC的益处呢？它不是用来将石墨烯转移到另一种材料，因为从技术的角度来看，这个转移过程是相当具有挑战性的，因为其会紧密键合到基板上，再加上化学品和设施的花费，因此成本很高。但grephene-on-SiC最适合用在需要有SiC基板，以形成无论是元件活化区的一部分，或是作为一个合适模板的应用上。而这是有可能的，因为碳化矽提供了生物相容性和化学惰性。

　　利用金属和SiC做为基板之间的主要差别是，金属永远是可导电的，而碳化矽可以是半绝缘性或具有掺杂的。这赋予了graphene-on-SiC适合用在各种电子应用上的优点，并可以锁定无论是片状石墨烯和SiC-on-metals产品都无法进入的市场目标。而且也有这三类产品都能竞争的市场。在这些情况下，制程和成本方面的问题将决定哪种型式才会是最成功的。

　　基板与制程

　　我们在6H和4H的SiC基板上生产石墨烯薄膜。虽然这些产品在商业化上可达到150mm的直径，但仍然有一些关於基板缺陷和较大的能隙需要考虑的一些问题。由於後者的关系，我们也有兴趣在石墨烯的基础上开发立方碳化矽（3C-SiC）的形式。

　　在我们形成石墨烯的制程中，SiC基板具有双重作用，既作为前驱物也同时是磊晶所需的基板。当基板在气体环境中被加热到1500-1600°C时，SiC的气化物即会开始离开表面，并自行重新排列以形成缓冲层。然後石墨烯就会在其上方形成。

　　利用这种方法所形成的石墨烯本质，会强烈地受到制程温度的影响。当SiC气化时，则矽与碳原子数的比例会有所变化，而且依条件的不同会有所不同。矽具有较高的蒸气压，因此低温时矽相对於碳的比例会比较大，并且随着温度的升高而降低到接近理想的比例1。因此在这种情况下，施加如2000°C的高温是有利的，其可以释出相近数目的矽和碳原子。

　　此制程能够在大面积的晶圆上产出高品质的单层石墨烯。此一成功在某些程度上反应了我们在Link？ping大学时关於SiC的坚强背景。在此机构中，已经在SiC的成长上发展了快20年的时间。早期被开发出来的方法，范围从液相磊晶─这是由一项要在瑞典北部的Esrange利用探空火箭MASER7所产生的微重力中制造世界上第一的SiC成长所开始的计划─到各种昇华成长的方法。

　　基板问题

　　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。这提供了晶体和材料行为的有趣特性。那是因为这些种类的SiC是具有极性的，其相对侧是由矽或碳原子做为终止的。这样的两个表面在表面自由能上具有重要的差异，而这也说明了要在碳表面上制备石墨烯会比在矽表面上还面临更大的挑战。

　　而另一个挑战是源於低指数晶面的不完美方向性。这个SiC基板的微小偏轴方向性创造了原子台阶，而且当此晶圆被加热时，其表面会重新排列并进行一个阶褶（step-bunching）的过程：初始的小台阶会转变成较大的台阶，并具有较大的露台和台阶边缘。通常单层石墨烯是形成在露台上，而双层石墨烯则是形成在台阶边缘。

　　表面重排是一个在碳化矽中的自然过程，其与第一层原子层重排成缓冲层。在石墨烯中，这被认为会诱发掺杂，其在某些应用中是不被允许的。为了避免这种情况发生，一些研究人员正试图将graphene-on-SiC曝露於某些能够穿透到石墨烯层的元素中，并将其缓冲层改变成石墨烯层。而在此一努力中所获得的成功，也因而创造出不需要缓冲层的双层石墨烯。