Ge（110）衬底上石墨烯单晶畴取向生长的AFM、STM实验观察与DFT理论模拟

    近期，中国科学院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室SOI材料与器件课题组在锗基石墨烯的取向生长机制方面取得进展。课题组研究人员发现衬底表面原子台阶对于石墨烯取向生长的重要性，并且与华东师范大学合作借助于第一性原理DFT理论计算分析得到石墨烯单晶畴在（110）晶面的锗衬底上取向生长的物理机理，为获得晶圆级的单晶石墨烯材料奠定了实验与理论基础，有助于推动石墨烯材料真正应用于大规模集成电路技术。相关研究成果以How graphene islands are unidirectionally aligned on Ge（110） surface 为题于近期发表在Nano Lett., 2016, 16 （5）， pp 3160–3165上。

    石墨烯凭借其优异的电学性能被人们认为是后硅CMOS时代最有竞争力的电子材料之一，SOI材料与器件课题组于2013年在国际上首次实现了用锗基衬底CVD法生长大尺寸连续单层石墨烯（Sci. Rep. 3（2013）， 2465），实现了石墨烯与半导体的集成。韩国三星公司在此基础上将锗基石墨烯的研究工作推广至单晶晶圆级别（Science 344, 286–289 （2014），在（110）晶面的锗衬底上通过生长一系列取向相同的石墨烯单晶畴进而无缝拼接为晶圆级的高质量单晶石墨烯材料，然而相关取向生长的物理机制一直不明确。SOI课题组戴家赟、狄增峰等研究人员发现在原子台阶密度高的锗衬底表面上生长的石墨烯晶畴通常位于台阶边缘，并且具有高度取向性；而在经过高温退火处理平坦的表面上生长的石墨烯取向性差。通过第一性原理DFT理论计算发现锗原子与碳原子在台阶边缘处形成的强烈的Ge-C化学键以及两者的晶格匹配关系决定了石墨烯晶畴的取向性。对于石墨烯取向一致机理的研究，有助于加深对CVD生长石墨烯的过程中微观机制的了解，推动石墨烯真正应用于微电子领域。

    该工作得到国家自然科学基金委创新研究群体、优秀青年基金、中国科学院高迁移率材料创新研究团队等相关研究计划的支持。