“在硅材料微电子器件中，石墨烯被用作电位接触电极和电子电路中半导体元件的连接材料，”Kim说。“这就使得基于高温条件的加工方法不适用，因为高温可能会带来材料的损伤，扭曲，金属尖峰和掺杂物的扩散。”
因此制作石墨烯的传统技术化学气相沉积法虽然广泛地被应用于在铜片或镍片上大面积合成石墨烯，但该方法并不适用于硅材料微电子器件，因为化学气相沉积法需要在高于1000摄氏度的温度条件下进行，之后还要将石墨烯从金属衬底转移到硅衬底。
“转移到目标衬底上的石墨烯常常有裂纹，皱褶以及污染物，”Kim说。“因此我们认为应该研究一种无需转移的方法，能够直接在硅材料微电子器件中合成高质量多层石墨烯。”
Kim的方法基于离子注入技术--一种和微电子器件相兼容的技术，通常用来给半导体材料中掺入杂质。在离子注入过程中，碳离子被电场加速，在500摄氏度的温度下轰击镀有镍层和氧化硅层的硅衬底。镍层，因其高的碳溶解度，被用来作为合成石墨烯的催化剂。随后，整个样品经过高温激活退火处理(约600到900摄氏度)使碳原子之间形成蜂窝状晶格结构，也就是石墨烯的特征微观结构。
Kim解释说激活退火的温度可以通过提升离子注入过程的温度而进一步降低。通过改变环境的气压，气体，温度以及退火过程的时间，Kim和他的同事们系统地研究了高温激活退火各方面条件对于合成高质量多层石墨烯的影响。
据Kim说，离子注入技术不同于其他制作方法的另一个方面是，它可以更精准地控制产品的最终结构，因为石墨烯镀层的厚度可以通过控制碳离子的注入剂量而被精确地控制。
“我们的合成方法是可控制和可扩缩的，这种方法使我们能够加工出与硅圆片同样大小的石墨烯[直径超过300毫米],”Kim说。
研究者们下一步的计划是进一步降低合成过程中的温度和控制生产过程中石墨烯的厚度。
