无催化剂生长石墨烯及其在透明导电膜等方面的应用研究

石墨烯由于其优异的物理性能和潜在的应用前景引起了广泛关注，而石墨烯的生长是其中的研究热点之一。现有的石墨烯生长技术或需要金属催化剂，或需要特殊的外延基底单晶。而在其它基底上得到石墨烯薄膜，必须通过石墨烯的转移技术来实现。本项目将开展无催化剂的直接在金属、绝缘体、半导体等各种基底表面生长大面积、高质量、层数可控的石墨烯的生长研究。研究生长参数、基底表面结构与形貌对生长的石墨烯的尺寸、原子结构、晶体质量、层数、电导率、光学吸收和发射等方面的调控。并在此基础上，研究石墨烯透明导电膜的表面电阻与光透过率，通过改善生长工艺来调控这两个参数的竞争关系，得到最小的表面电阻与最大的光学透过率。通过探索石墨烯的生长新工艺，解决大面积、高质量石墨烯在各种基底表面的直接生长问题，通过对其微观结构与电/光学等物理特性的表征，深入理解其微观生长机制，进而探索这种生长技术在透明导电膜方面的应用。

常规的大面积石墨烯生长方法由于受到金属基底的限制，应用到电子学器件方面存在工艺兼容性的问题。对此，我们首次发展了一种低温（550oC）、无需催化剂辅助的石墨烯生长技术，可在多种衬底上（如金属、氧化物、半导体表面）直接生长均匀的大面积石墨烯薄膜，生长工艺与器件加工工艺均与传统半导体工艺相兼容。薄膜的电导率小于10KΩ/□，光学透过率大于85%，且这两个指标可以根据所生长的石墨烯的层数及晶畴尺寸可调，因此在柔性透明导电膜上有很重要的应用价值。在此工作的基础上，我们还利用与石墨烯晶格结构对称性一致的单晶衬底，实现了真正意义上的石墨烯异质外延生长，得到了晶圆级的单晶石墨烯薄膜。.我们利用导电性良好的纳米石墨烯作为电极，开发了纳米石墨烯/SiO2界面结构构筑的多值阻变非易失性存储器，该器件展示了良好的抗疲劳性（>104次），数据保持特性（>10年），较快的转变速度（<500 ns），可控可重复的多态存储（至少5个态）特性，因而具有高密度、高速度、CMOS兼容性等优点，可用于人工神经网络和超级计算机的开发。更重要的是，这种纳米石墨烯/氧化硅间隙结构RRAM器件还具有可调制的电致发光现象，在新一代信息存储与传输、光互联等领域将具有潜在的应用。此外，我们还利用准连续的纳米石墨烯薄膜作为压阻材料构筑石墨烯应力传感器，这种基于隧穿效应的应力传感器具有超高的灵敏度（GF>300），在。这种基于石墨烯的应力传感器具有可拉伸、高灵敏度、高稳定性、透明等特点，在人造皮肤方面显示了巨大的应用潜力。.