“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(shuō)。“這就使得基于高溫條件的加工方法不適用，因?yàn)楦邷乜赡軙?huì)帶來(lái)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?yàn)榛瘜W(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(shuō)。“因此我們認(rèn)為應(yīng)該研究一種無(wú)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(lái)給半導(dǎo)體材料中摻入雜質(zhì)。在離子注入過(guò)程中，碳離子被電場(chǎng)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(lái)作為合成石墨烯的催化劑。隨后，整個(gè)樣品經(jīng)過(guò)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(shuō)激活退火的溫度可以通過(guò)提升離子注入過(guò)程的溫度而進(jìn)一步降低。通過(guò)改變環(huán)境的氣壓，氣體，溫度以及退火過(guò)程的時(shí)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(duì)于合成高質(zhì)量多層石墨烯的影響。

據(jù)Kim說(shuō)，離子注入技術(shù)不同于其他制作方法的另一個(gè)方面是，它可以更精準(zhǔn)地控制產(chǎn)品的最終結(jié)構(gòu)，因?yàn)槭╁儗拥暮穸瓤梢酝ㄟ^(guò)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(guò)300毫米],”Kim說(shuō)。

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