研究背景
石墨烯有着高载流子迁移率、高热导率、高化学稳定性等优异特性，成为宽禁带半导体器件（如LED）的理想缓冲层材料。它既可减缓异质材料之间由晶格失配所产生的内应力和缺陷，还可凭借超高迁移率和优异热导性，为器件提供光效与散热性能提升。然而，本征石墨烯的化学惰性不利于器件外延层的成核及生长，氮掺杂石墨烯已成为突破这些限制的重要途径，因其能为石墨烯表面提供更多悬挂键，促进氮化物的附着与生长，同时可以降低氮化物薄膜中的内应力，提升外延质量。氮掺杂石墨烯的制备途径主要有两种：一是后处理，在特定条件下（如高温/等离子体环境等）使用含氮物质对本征石墨烯进行掺杂处理；二是使用含氮前驱体直接合成氮掺杂石墨烯。其中，后处理工艺路线相对复杂，难以适应大规模制造，且在成膜均匀性及掺杂类型调控等方面表现不佳。直接合成路线中，通常需要先在具有催化作用的金属表面（如铜等）进行制备，后通过剥离转移技术将得到的氮掺杂石墨烯转移至目标衬底上——转移过程增加了工艺复杂性，对薄膜的完整度与洁净度造成影响。因此，开发一种氮掺杂石墨烯在目标衬底上的无转移直接制备策略具有重要意义。
工作简介
本研究提出了一种免转移（transfer-free）的氮掺杂石墨烯（N-Gr）薄膜的生长方法，采用低压化学气相沉积（LPCVD）技术，使用吡啶与乙醇的混合物作为前驱体，在4英寸蓝宝石晶圆上直接获得了氮掺杂石墨烯薄膜。其中吡啶为氮/碳源，乙醇的羟基在反应过程中具刻蚀作用，从而提升了石墨烯的品质。此外，探究了氮掺杂类型在反应过程中的演变规律及其对III族氮化物外延生长的影响。本文为氮掺杂石墨烯的直接生长提供了有效策略，并为石墨烯材料用于光电子器件功能层的设计提供了借鉴。
核心图文解析
实验结果表明，乙醇不仅参与N-Gr的生长过程，还能提高石墨烯的结晶质量，抑制多层生长。相同制备条件下，有乙醇参与的样品多层区域占比由53.6%降至20.4%，这是因为乙醇在反应过程中释放出的羟基对反应中产生的无定形碳有刻蚀作用，抑制了由无定形碳堆积、迁移引起的多层成核与生长过程。此外，本研究通过调控生长温度和时间，实现了不同种类氮掺杂石墨烯的制备，并在不同种类的氮掺杂石墨烯上进行了AlN的外延调控。结果表明，相较于在蓝宝石衬底上外延的AlN层，引入不同氮掺杂种类的石墨烯缓冲层均可提升外延层的表面平整度。其中，吡啶氮对AlN外延层的表面平整度与结晶质量的贡献较大。
结论
本研究报道了一种乙醇助剂辅助的低压化学气相沉积策略，实现了4英寸氮掺杂石墨烯晶圆的无转移制备。通过调控生长参数实现了吡咯氮、吡啶氮和石墨氮掺杂石墨烯的制备，并对比了不同氮掺杂类型石墨烯上外延AlN的品质，为氮掺杂石墨烯材料在光电器件中的应用提供新思路。
文章信息
魏文泽，高翔，于朝杰，等。乙醇辅助直接合成晶圆级氮掺杂石墨烯用于III族氮化物外延生长[J]. 新型炭材料（中英文）, 2025, 40 (3): 678-687.
Wen-ze WEI, Xiang GAO, Chao-jie YU, Xiao-li SUN, Tong-bo WEI, Li JIA, Jing-yu SUN. Ethanol-assisted direct synthesis of wafer-scale nitrogen-doped graphene for III-nitride epitaxial growth[J]. New Carbon Materials, 2025, 40(3): 678-687.
https://doi.org/10.1016/S1872-5805(25)60982-6
通讯作者简介
孙靖宇，苏州大学能源学院副院长。牛津大学博士。国家高层次青年人才，江苏省杰出青年基金获得者，英国皇家化学会会士。江苏省先进碳材料与可穿戴能源技术重点实验室主任。苏州大学——北京石墨烯研究院产学研协同创新中心主任。2008年于浙江大学获学士学位，2013年于英国牛津大学获博士学位。2013-2015年、2015-2017年分别在北京大学和英国剑桥大学开展博士后研究工作。2017年入职苏州大学，任特聘教授、博士生导师。主要从事新型石墨烯材料、碳基能源材料研究。在国内外学术期刊上发表研究论文逾270篇，总引用23000余次，h因子为83。
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