研究进展
刘忠范院士团队Sci. Adv.：超平坦6英寸单晶Cu(111)晶圆的织构工程化制备
日期：
2025-11-18 14:29
超平坦单晶Cu(111)薄膜因其易于后续转移与器件集成，被公认为制备二维单晶材料的理想外延衬底。然而，由于缺乏可规模化且可靠的技术来消除最终薄膜中的面内孪晶界，Cu(111)衬底的制备仍面临挑战。
近日，北京大学刘忠范院士、林立研究员、北京石墨烯研究院贾开诚研究员等研究者提出一种解决孪晶界问题的方法，成功制备出超平坦无孪晶界的Cu(111)晶圆，并在此基础上生长出高质量单晶石墨烯晶圆。研究表明，通过沉积具有特定织构的Cu薄膜，在高温退火过程中能够实现特定Cu(111)晶粒的选择性异常长大，从而制备出6英寸无孪晶界Cu(111)晶圆。该晶圆具有高结晶度（取向偏差角0.48°）、超平坦表面（粗糙度Ra=0.34纳米）和可扩展性（每批25个晶片）。基于该衬底生长的石墨烯展现出优异的电学性能与晶圆级均匀性：平均载流子迁移率达10,093 cm²·V⁻¹·s⁻¹，方块电阻为905欧姆/方，且全晶圆偏差率仅为3.5%。
图文导读
图1. 具有设计织构的Cu薄膜在蓝宝石衬底上的沉积。
图2. 6英寸Cu(111)晶圆的表征结果。
图3. 特定Cu(111)晶粒异常长大的机理分析。
图4. 6英寸单晶石墨烯晶圆的批量制备。
图5. 6英寸单晶石墨烯晶圆的电学性能表征。
结论与展望
总之，该研究通过自主研发的中试级化学气相沉积系统，采用蓝宝石衬底上Cu薄膜的织构工程技术，成功实现了6英寸无孪晶界单晶Cu(111)晶圆的可控制备及单晶石墨烯晶圆的生长。该技术能有效促进特定Cu(111)晶粒的选择性异常长大，从而解决孪晶界问题。所开发的方法与现行工业级B2B制造工艺相兼容，可稳定制备25片具有高结晶度、表面平坦度与良好重复性的6英寸Cu(111)晶圆，并在此基础上实现6英寸单晶石墨烯晶圆的规模化生长。所得单晶石墨烯晶圆展现出卓越的电学性能与均匀性：平均载流子迁移率达10,093 cm²·V⁻¹·s⁻¹，方块电阻波动率仅约3.5%。
本研究为推进单晶二维材料晶圆的工业化生产奠定了关键基础，同时为高性能电子与光电器件的开发提供了广阔前景——这类器件的发展正高度依赖于高质量二维材料晶圆的可重复、规模化制备。
文献链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ady1943https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ady1943
来源：低维 昂维
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