对于先进的电子设备，将大型二维(2D)材料集成到半导体晶片上是非常理想的，但是仍然存在诸如与转移相关的裂纹，污染，起皱和掺杂之类的挑战。在这里，我们开发了一种通过梯度表面能调制的通用方法，从而使石墨烯可靠地粘附并释放到目标晶片上。所获得的晶片规模的石墨烯表现出无损伤、清洁和超平坦的表面，掺杂可忽略不计，得到均匀的薄层电阻，偏差仅为6%。在SiO₂/Si上转移的石墨烯表现出高达~10000 cm² v^-1的高载流子迁移率，在室温下观察到量子霍尔效应(QHE)。h-BN封装后，在1.7K处出现分数量子霍尔效应(FQHE)，产生约280000 cm² v^-1 s^-1的超高迁移率。集成的晶圆级石墨烯热发射器在近红外(NIR)光谱中显示出显着的宽带发射。总体而言，所提出的方法有望在先进的电子学和光电子学中将来集成晶圆级2D材料。
 
Figure1.通过梯度表面能调控实现晶圆级石墨烯集成。通过梯度表面能调制进行晶圆级超平石墨烯转移的示意图。b转移介质的结构，其中设计了具有梯度表面能的不同层(γ₁>γ₂，γ₃≥γ₄)。左右图显示了面板(a)中的粘附和释放程序。请注意，SiO₂/Si(γ₁)的表面能大于石墨烯/冰片(γ₂)的表面能，如中间图片所示，可实现可靠的附着力。而且，PDMS(γ₄)的表面能最低，导致石墨烯完整释放到目标基板上。c根据测量的接触角计算出不同表面的表面能。图例:显示不同表面水接触角的图像。误差条表示不同表面的表面能和接触角的标准偏差。SiO₂/Si晶片上4英寸转移石墨烯的光学图像。转移石墨烯覆盖的e直方图。插图:转移石墨烯的光学显微镜图像。GSE转移的石墨烯和PMMA转移的石墨烯的电子显微镜成像。g从80张GSE转移的AFM图像和50张PMMA转移的石墨烯的AFM图像中，每10×10μm²的粒子数直方图。图例:GSE转移和PMMA 转移石墨烯的典型AFM图像。从转移的超平和粗糙石墨烯的AFM图像发出的每5×5μm²皱纹数的h直方图。插图:转移的超平和粗糙石墨烯的AFM图像。 
 
Figure 2.转移石墨烯的均匀性。GSE转移的石墨烯(a)和PMMA转移的石墨烯(b) SiO₂/Si晶片的空间薄层电阻图。注意，GSE转移的石墨烯的薄层电阻偏差为〜6%.c，GSE转移的(c)和PMMA转移的(d)石墨烯的空间G峰位置图。PMMA转移的石墨烯的G波段的峰位置是蓝移的。e拉曼G和2D峰位置的相关图GSE和PMMA转移的石墨烯。从每种类型的转移石墨烯获得总共225个拉曼光谱。黄星表示原始石墨烯的G和2D峰位置，既没有掺杂也没有应变。f 2D峰的全宽度，即GSE和PMMA转移的石墨烯的半最大值(Γ_2d)。实线是Γ_2d的分布函数的拟合线。 
 
Figure3.转移石墨烯的电性能。a用PMMA和GSE传输石墨烯制造的两种典型霍尔棒器件的传输特性比较。插图：SiO₂/Si上石墨烯霍尔棒装置的图像。b GSE-和PMMA转移石墨烯的FET迁移率直方图。42个GSE转移和18个PMMA转移石墨烯器件的平均迁移率为6000 cm² V⁻¹s⁻¹和2000 cm² V⁻¹s⁻¹、恢复。c在不同温度下，随着GSE在SiO_2/Si上转移石墨烯的磁场的变化，霍尔电阻的变化。插图：SiO₂/Si上石墨烯霍尔棒装置的图像。d h-BN封装转移石墨烯的制造方案。e 300 K时，随着磁场（B）的变化，h-BN封装转移石墨烯的霍尔电阻发生变化。插图：h-BN包覆石墨烯霍尔棒装置的图像。f霍尔电阻（R_xy）（左轴）和纵向电阻（R_xx）（右轴）的变化是1.K时B的函数。g R_xx（左轴）和R_xy（右轴）作为1.K和8.T时后门（V_g）的函数。h R_xx作为B和V_g函数的2D等高线图。破折号黑线显示填充因子ν=±2、±6和±10处的LLs，以及由于LLs的简并提升而出现的一些新的分数填充因子ξ=2/3、±4/3、7/3、±8/3。 
 
Figure4.a石墨烯热发射体示意图。b GSE上的晶圆级石墨烯热发射阵列转移石墨烯。c  8×8石墨烯热发射体的光学显微镜图像。插图：单石墨烯热发射器件。d P=3.0 kW cm^-2时的热发射图像，照片由经过假彩色处理的红外相机拍摄。中心的亮点代表石墨烯发出的辐射。蓝色虚线和黄色虚线分别表示石墨烯和金属电极。e石墨烯发射体在P = 1.2–7.7 kW cm^-2处发出的发射光谱。f通过二维峰位置的移动获得的石墨烯晶格温度。温度随功率密度近似线性变化。误差线表示不同功率密度下温度的标准偏差。
 
       相关研究工作由北京大学HailinPeng课题组和国防科技大学ShiqiaoQin课题组于2022年共同发表于《NatureCommunications》期刊上，原文：Integratedwafer-scaleultra-flatgraphenebygradientsurfaceenergymodulation。

转自《石墨烯研究》公众号