如果能在大規模電絕緣載體上生產單晶石墨烯片，這將有助于開發下一代基于納米材料的設備，例如非常輕薄的觸摸屏、可穿戴電子設備和太陽能電池。
大多數基于石墨烯的電子設備都需要絕緣支撐。然而，工業用途的高質量石墨烯薄膜通常是在金屬基板（例如銅箔）上生長，然后再轉移到絕緣支架上用于器件制造。此轉移步驟可能會引入影響設備性能的雜質。因此，如果能在絕緣支撐上生長石墨烯，這樣能更多地生產出高質量單晶。
研究人員表示，如果石墨烯可以在干凈界面的絕緣基板上生長，某些設備可能可以更好地工作。
研究人員調整了化學氣相沉積方法，該方法依賴于銅催化的甲烷分解成碳前體，在稱為c平面的晶圓級單晶襯底上生成光滑的單晶石墨烯單層藍寶石。
研究人員將多晶銅箔轉化為藍寶石表面上的單晶銅箔Cu(111)，并從金屬基材中引入活性碳原子，從而在所得薄膜上催化甲烷分解。碳原子通過金屬膜向充當模板的銅-藍寶石界面擴散，并形成取向良好的“石墨烯島”，經過幾個生長周期后，這些石墨烯島合并形成薄片。
研究人員使用氫-氬等離子體蝕刻掉堆積在銅膜頂部的任何石墨烯，以促進碳擴散。他們將樣品浸入液氮中，然后將其快速加熱至500攝氏度，使銅膜易于剝離，同時保持石墨烯單層完整。
這樣，在藍寶石生長的單晶石墨烯單層上制造的場效應晶體管表現出優異的性能和更高的載流子遷移率。研究人員解釋，在藍寶石上生長的石墨烯具有優異的電子性能，這是由于其較高的結晶度和較少的表面褶皺。
下一步，團隊正試圖在絕緣體支撐的石墨烯上生長其他二維材料，以構建功能化的大規模異質結構。
題為Wafer-scale single-crystal monolayer graphene grown on sapphire substrate的相關研究論文發表在《自然-材料》上。
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