极低温与超快条件下仍可制备高品质石墨烯

一项能在极低温与超快条件下制备高品质石墨烯的技术已成功研发。

韩国国家研究基金会12月1日宣布，由延世大学Geum Hyunseong教授、庆北国立大学Lee Taehun教授与Park Hongsik教授、世宗大学Kim Sungkyu教授领衔的研究团队，成功在低于500摄氏度的温度下制备出近乎单晶的高品质石墨烯，且未损伤基底表面。

单晶结构指整个固体中原子或分子呈连续规律排列的形态，该特性对制造需具备均匀电学特性的半导体基板至关重要。

联合研究团队的技术可在超低温与超快条件下于碳化硅（SiC）衬底上制备高品质石墨烯，为制造氮化镓（GaN）、氮化铝（AlN）等新一代半导体薄膜铺平道路。

近年来，高性能氮化物半导体（GaN、AlN）需求激增，尤其在功率半导体、高频器件及微型LED应用领域。

然而，为打造能轻松分离氮化物半导体与基板的理想基板（该技术可剥离半导体层以实现基板再利用），必须将SiC基板在1500摄氏度以上高温下石墨化。

即使经过此超高温处理，SiC基板表面仍会变得粗糙，石墨烯厚度也难以均匀。此外，由于昂贵的碳化硅基板难以重复利用，亟需改变制造工艺以推动产业化进程。

韩国国家研究基金会供稿

而联合研究团队开发的这项技术，可在低于500摄氏度的温度下生产出高品质石墨烯，且不会损伤基板表面。

实现低温工艺的关键材料是镍（Ni）金属。研究团队发现，引入镍作为金属催化剂可稳定碳原子重排为石墨烯结构时的能量条件。基于此原理，通过调控镍层厚度与温度，他们证实：在320摄氏度下数秒内可形成单层至双层石墨烯，500摄氏度下则可制备多层石墨烯。

低温工艺使碳化硅衬底表面保持原子级平整度，使最终形成的半导体薄膜相比高温工艺具有更高的结晶度。

该镍基低温工艺还能有效应用于下一代半导体技术，特别是“二维基外延”方法（一种在晶体衬底上生长定向单晶薄膜的半导体技术）。这意味着昂贵的碳化硅基板可实现循环利用，并支持异质材料集成。联合研究团队证实，通过镍低温工艺制备的半导体薄膜可如贴纸般剥离再粘附，且在基板上不留痕迹。

金教授表示：“联合研究团队通过低温石墨烯生产技术，为基板再利用和制造成本降低提供了解决方案”，并补充道：“这将成为未来低温二维材料合成与异质外延研究的重要理论基础。”

该研究获得韩国科学信息通信部基础研究实验室计划及韩国国家研究基金会资助。相关成果论文已于11月21日在线发表于国际期刊《科学进展》。