“在硅材料微電子器件中，石墨烯被用作電位接觸電極和電子電路中半導(dǎo)體元件的連接材料，”Kim說。“這就使得基于高溫條件的加工方法不適用，因為高溫可能會帶來材料的損傷，扭曲，金屬尖峰和摻雜物的擴(kuò)散。”

因此制作石墨烯的傳統(tǒng)技術(shù)化學(xué)氣相沉積法雖然廣泛地被應(yīng)用于在銅片或鎳片上大面積合成石墨烯，但該方法并不適用于硅材料微電子器件，因為化學(xué)氣相沉積法需要在高于1000攝氏度的溫度條件下進(jìn)行，之后還要將石墨烯從金屬襯底轉(zhuǎn)移到硅襯底。

“轉(zhuǎn)移到目標(biāo)襯底上的石墨烯常常有裂紋，皺褶以及污染物，”Kim說。“因此我們認(rèn)為應(yīng)該研究一種無需轉(zhuǎn)移的方法，能夠直接在硅材料微電子器件中合成高質(zhì)量多層石墨烯。”

Kim的方法基于離子注入技術(shù)--一種和微電子器件相兼容的技術(shù)，通常用來給半導(dǎo)體材料中摻入雜質(zhì)。在離子注入過程中，碳離子被電場加速，在500攝氏度的溫度下轟擊鍍有鎳層和氧化硅層的硅襯底。鎳層，因其高的碳溶解度，被用來作為合成石墨烯的催化劑。隨后，整個樣品經(jīng)過高溫激活退火處理(約600到900攝氏度)使碳原子之間形成蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)，也就是石墨烯的特征微觀結(jié)構(gòu)。

Kim解釋說激活退火的溫度可以通過提升離子注入過程的溫度而進(jìn)一步降低。通過改變環(huán)境的氣壓，氣體，溫度以及退火過程的時間，Kim和他的同事們系統(tǒng)地研究了高溫激活退火各方面條件對于合成高質(zhì)量多層石墨烯的影響。

據(jù)Kim說，離子注入技術(shù)不同于其他制作方法的另一個方面是，它可以更精準(zhǔn)地控制產(chǎn)品的最終結(jié)構(gòu)，因為石墨烯鍍層的厚度可以通過控制碳離子的注入劑量而被精確地控制。

     “我們的合成方法是可控制和可擴(kuò)縮的，這種方法使我們能夠加工出與硅圓片同樣大小的石墨烯[直徑超過300毫米],”Kim說。

      研究者們下一步的計劃是進(jìn)一步降低合成過程中的溫度和控制生產(chǎn)過程中石墨烯的厚度。