刘忠范院士团队AM：??BCP再生超平铜衬底实现低缺陷单晶石墨烯
2025-06-302
2025年6月25日，北京大学与北京石墨烯研究院刘忠范院士、孙禄钊研究员及贾开诚研究员等提出一种再结晶抑制策略，成功复活了曾被弃用的布里奇曼切割抛光（BCP）技术。通过分阶段退火工艺设计（阶段I：980°C缓释应力；阶段II：1020°C快速升温抑制晶界迁移），攻克了BCP-Cu(111)晶圆在高温下的”反向单晶化”难题。该技术使2英寸铜晶圆实现96.6%单晶度与0.81 nm超平整度，为石墨烯外延提供理想衬底。实验证实：相较于粗糙的AGG-Cu(111)箔片，BCP晶圆支撑的石墨烯呈现97.13%晶畴取向一致性和零多层生长特性，且转移后褶皱密度显著降低。此项工作不仅阐明表面平整度对二维材料外延的调控机制，更将单晶石墨烯晶圆成本降低约50%（对比磁控溅射/蓝宝石方案），推动产业级应用进程。相关成果以“Restoring Ultra-Flat Bridgman-Fabricated Single-Crystal Cu(111) Wafers via Recrystallization Arrest Strategy for High-Quality Graphene Epitaxy”为题发表在国际知名期刊Advanced Materials上。通过布里奇曼-切割-抛光（BCP）技术制备的单晶Cu(111)晶圆展现出卓越的宏观平整度。白光干涉仪（WLI）表征显示，其平均表面粗糙度仅为0.81 nm，显著低于异常晶粒生长（AGG）法制备的Cu(111)箔片（59.15 nm）。高度剖面图证实BCP晶圆在500 μm尺度内波动小于1 nm，而AGG箔片呈现明显的阶梯状起伏。截面透射电镜（TEM）进一步揭示：BCP晶圆在微米尺度保持原子级平整，而AGG箔片表面每百纳米即出现纳米级台阶。这种差异源于冷轧工艺遗留的固有缺陷——AGG法虽经高温退火消除晶界沟槽，但无法消除深层塑性变形导致的微米级起伏。BCP技术通过单晶锭定向切割与化学机械抛光（CMP）规避了该问题，为石墨烯外延提供理想平台。据悉，本研究通过开发再结晶抑制策略——采用分阶段退火工艺（阶段I：980℃缓释加工应力实现位错湮灭，阶段II：1020℃快速升温动力学抑制高指数晶粒生长）——成功突破布里奇曼-切割-抛光（BCP）技术的反向单晶化瓶颈，制备出2英寸单晶Cu(111)晶圆（单晶度96.6%，表面粗糙度0.81 nm）；基于该超平整衬底实现97.13%晶畴取向一致性且零多层缺陷的石墨烯薄膜，系统揭示表面平整度通过抑制蜿蜒台阶诱导的晶格错配（对比AGG衬底晶畴偏差＞4°）、消除二次成核位点及降低热失配转移褶皱的三重调控机制。该工作不仅为二维材料异质外延建立表面拓扑工程新范式，更将单晶石墨烯晶圆成本降低约50%（较磁控溅射/蓝宝石方案），未来研究可拓展至8英寸晶圆应力控制、铜合金衬底高温稳定性优化及hBN/过渡金属硫化物普适性验证，推动半导体级二维材料制造从实验室走向产业化。
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