低温生长高导电性石墨烯/铜结构：在节能型石墨烯光电探测器中的应用

《Nanoscale Advances》：Low-temperature growth of high-conductivity graphene/copper structures: applications in energy-efficient graphene photodetectors

降低生长温度至400°C的石墨烯/铜复合结构及其光探测器性能研究。采用CO?激光预处理铜箔基板，降低表面粗糙度与氧化物含量，减少成核密度。通过优化PECVD参数（包括Ar/H?气体比例、等离子体功率及退火工艺），实现高质量石墨烯薄膜生长。复合结构较纯铜箔电导率提升66.9%，并在100°C氧化4小时后仍保持稳定。基于该石墨烯的光探测器在5V偏压、100W/m2光照下，响应度达666.95mA/W，检测度2.32×101? Jones，且在0.1V低电压下仍具有显著光电响应，适用于低功耗光电子器件。

　　
该研究提出了一种在低温（400°C）下高效制备高质量石墨烯的创新方法，并系统评估了其在光电探测器中的性能表现。通过结合CO?激光预处理和等离子体增强化学气相沉积（PECVD）技术，研究团队成功解决了低温生长时常见的缺陷问题，同时显著提升了材料的电学特性和抗氧化能力。

**技术突破与工艺优化**
研究首先通过CO?激光对铜箔基底进行预处理。实验显示，激光处理能显著改善铜箔表面粗糙度（从11.0 nm降至10.1 nm），消除表面铜颗粒和氧化物，使石墨烯成核密度降低约70%。这种预处理不仅优化了基底均匀性，还减少了生长过程中晶格缺陷的形成。通过调节等离子体功率、气体配比（Ar:H?=75:15）和生长距离（最佳距离18-20 cm），研究团队实现了石墨烯层结构可控生长。特别值得注意的是，采用双阶段退火工艺（先氢气退火后氩气退火），在修复表面缺陷的同时避免了氢气过量导致的碳氢化合物残留问题。

**性能表现与对比分析**
在电学性能方面，激光预处理结合退火工艺的石墨烯/cu复合结构将电阻率从纯铜的1.65 Ω/□降至0.5455 Ω/□，降幅达66.9%。氧化实验表明，经处理的复合结构在100°C空气中氧化4小时后，电阻率仅上升至1.8 Ω/□，而纯铜 foil的氧化后电阻率高达2.07 Ω/□。这种显著差异源于石墨烯层的致密性和化学惰性，能有效阻隔氧气渗透。

作为核心应用，基于优化石墨烯的硅基光电探测器在5V偏压、100W/m2光照下展现出666.95 mA·W?1的高响应度，检测度达2.32×101? Jones。响应时间测量显示，在100W/m2光照下，探测器从暗态到亮态的响应时间仅0.82秒，暗态恢复时间1.53秒，这种快速响应特性源于高结晶度（Raman I_D/I_G=0.26）和均匀的载流子分布。值得注意的是，即使在0.1V超低工作电压下，探测器仍能保持11 μA的暗电流和0.011 mA的光电流，展现出卓越的低功耗特性。

**关键机制解析**
研究揭示了激光预处理对基底表面重构的关键作用：CO?激光通过热蒸发去除表面铜颗粒和氧化物，形成原子级平整的基底（AFM显示Rq值降低8.2%），从而促进石墨烯均匀成核。同时，激光产生的局部高温（达800°C）能瞬时熔融铜箔表面缺陷，为后续石墨烯生长提供理想晶格环境。

在PECVD工艺优化中，采用苯作为碳源具有显著优势：其沸点（80°C）与生长温度（400°C）形成梯度热场，促进气态碳均匀吸附。研究还发现，等离子体功率（300W）与气体流速（Ar 75sccm+H? 15sccm）的协同作用能有效平衡碳沉积速率与边缘刻蚀效应，从而抑制Stone-Wales缺陷的形成。通过引入双阶段退火（氢气预清洗+氩气稳定化），成功将缺陷密度降低至传统CVD工艺的1/3以下。

**应用前景与扩展方向**
该技术突破为柔性电子制造提供了关键材料基础：400°C的生长温度使工艺兼容现有半导体微纳加工设备，而石墨烯/cu复合结构的电阻率降低幅度（达66.9%）使其在5G高频电路、柔性传感器等场景具有直接应用价值。研究还发现，该复合结构在氧化环境中的稳定性使其适用于汽车电子、工业传感器等严苛工况。

未来研究可着重以下方向：1）开发低温等离子体调控技术，探索在300°C以下实现高质量石墨烯的可能性；2）研究石墨烯/cu异质结在光电探测器中的载流子传输机制；3）开发卷对卷（roll-to-roll）工艺，实现大面积连续膜材生产。此外，将结合机器学习算法优化工艺参数，预计可进一步提升石墨烯的晶格完整性。

该研究为低成本、高性能石墨烯材料的规模化生产提供了可靠技术路径，其光电探测器在低功耗场景下的突出表现（0.1V工作电压下仍保持有效响应），标志着石墨烯从实验室研究向实际应用的跨越式进展。