石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料.
石墨烯具有优异的光学/ 电学/ 力学特性, 在材料学/ 微纳加工/ 能源/ 生物医学和传递等方面具有重要的应用前景, 被认为是一种未来革命性的材料.
石墨烯的奇特的物理性质如极高的载流子迁移率/ 室温下亚微米尺度的弹道传输特性/ 反常量子霍尔效应/ 极优的力学性能以及电子自旋输运/ 超导电性等, 使其在纳米电子学和自旋电子学元器件方面拥有非常广阔的发展前景.
材料的制备是实现其功能化应用的基础, 大面积高质量石墨烯的制备仍然是困扰科研人员的一大难题. 石墨烯虽然可以通过很多种生长方式获得, 如机械剥离法, 以单晶金属为衬底的CVD法化学氧化还原法等, 但是碳化硅外延生长法被普通认为是实现工业化制备和生产石墨烯的有效途径之一.
外延法制备石墨烯
所谓的外延法, 即在一个晶格结构上通过晶格匹配生长出另外一种晶体的方法. 与其它制备方法比较, 外延法是最有可能获得大面积/ 高质量石墨烯的制备方法.
金属催化外延生长法
金属催化外延生长法是在超高真空条件下将碳氢化合物通入到具有催化活性的过渡金属基底如Pt/ Ir/ Ru/ Cu等表面, 通过加热使吸附气体催化脱氢从而制得石墨烯. 气体在吸附过程中可以长满整个金属基底, 并且其生长过程为一个自限过程, 即基底吸附气体后不会重复吸收, 因此, 所制备出的石墨烯多为单层, 且可以大面积地制备出均匀的石墨烯.
SiC外延生长法
基本原理是：以SiC单晶为衬底, 首先利用氢气在高温下对SiC的刻蚀效应对衬底表面进行平整化处理, 使之形成具有原子级平整度的台阶阵列形貌的表面; 然后, 在超高真空的环境下, 将SiC衬底表面加热到1400℃以上, 使衬底表面的碳硅键发生断裂, Si原子会先于C原子升华而从表面脱附, 而表面富集的C原子发生重构从而形成六方蜂窝状的石墨烯薄膜.
超高真空的样品室可以为石墨烯的生长提供清洁的工作环境,减少样品的污染
而石墨烯的外延生长后的表面结构分析多使用STM设备.
扫描隧道显微镜 STM 是一种利用量子理论中的隧道效应探测物质表面结构的仪器, STM 技术的优势在于可获得原子级的分辨率.
分子束外延 MBE 与扫描隧道显微镜 STM 联用: 可以成功分析 MBE 生长晶体表面结构, 这种联用现已广泛应用于各大院校和研究院应用表面物理实验中. 分子束外延 MBE 与扫描隧道显微镜 STM 系统都需要在超高真空环境中进行, 对真空度要求及其高, 需要伯东 Pfeiffer 系列低振动, 低噪音, 清洁无油确保超高真空的稳定性已保证晶格的生长和后期的探测分析.
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