最常见的石墨烯衬底是硅片上的二氧化硅（SiO2/Si），但“最佳”衬底完全取决于预期的应用。SiO2/Si之所以成为标准，是因为其表面光滑、与现有半导体制造技术兼容，并且它是一种电绝缘体，使其成为通用研究和原型制作的高度实用选择。
选择正确的衬底不是要找到单一的“最佳”材料。而是要了解为了实现您的特定目标，在电子性能、光学透明度、机械性能和制造可扩展性之间进行关键的权衡。
为什么SiO2/Si成为标准
SiO2/Si的广泛使用是其实用优势的直接结果，这些优势对于石墨烯研究的初步爆发至关重要。
半导体遗产
带有热氧化层的硅晶圆是整个微电子工业的基石。
这意味着处理、清洁和图案化这些衬底的工具、工艺和知识已经成熟且广泛可用，大大降低了制造石墨烯器件的门槛。
电绝缘和栅极控制
对于晶体管等电子应用，石墨烯必须与导电的硅晶圆电隔离。SiO2层充当高质量的介电绝缘体。
此外，高度掺杂的硅晶圆本身可以用作“背栅极”来施加电场，使研究人员能够调节石墨烯中的载流子密度并研究其电子特性。
辅助光学检测
一个关键的早期突破是发现特定厚度（通常为285-300纳米）的SiO2会产生薄膜干涉效应。
这种效应使得原子级薄的单层石墨烯在标准光学显微镜下可见，这是一个简单但至关重要的特性，极大地加速了研究。
理解权衡：SiO2/Si的局限性
尽管实用，但SiO2/Si远非完美。对于高性能应用，它引入了几个会降低性能的效应，掩盖了石墨烯的真正潜力。
电荷池和杂质
SiO2的表面在电子上并非中性。它包含陷阱电荷和杂质，会产生随机的静电势变化，通常称为“电荷池”。
这些电荷池会散射通过石墨烯移动的电子，严重限制其载流子迁移率和整体电子性能。
声子散射
SiO2极性晶格中的原子以特定的方式振动（称为表面光学声子）。
这些振动可以与石墨烯中的电子耦合并散射它们，成为其导电性的另一个主要瓶颈，尤其是在室温下。
表面粗糙度
在原子尺度上，无定形SiO2并非完全平坦。这种纳米级的粗糙度会在上覆的石墨烯片层中引起应变和波纹，这可能会改变其电子结构并产生更多的散射点。
用于高性能的先进衬底
为了克服SiO2/Si的局限性，研究人员转向了能更好地保持石墨烯非凡固有特性的替代衬底。
六方氮化硼（hBN）
hBN常被称为“白色石墨烯”，被认为是高性能石墨烯电子学的黄金标准衬底。
hBN是一种绝缘晶体，具有原子级平坦、无悬挂键和表面电荷陷阱的特性，并且其晶格结构与石墨烯非常相似。将石墨烯封装在hBN层之间，可以最大限度地减少所有形式的散射，从而观察到接近石墨烯理论极限的迁移率值。
柔性和透明衬底
对于柔性显示器、可穿戴传感器或透明导电薄膜等应用，刚性硅是不合适的。
在这种情况下，使用聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）或聚二甲基硅氧烷（PDMS）等聚合物。主要的挑战在于在不引入缺陷或皱纹的情况下转移大面积、高质量的石墨烯片。
悬浮石墨烯
对于基础物理研究，最终的衬底就是根本没有衬底。
将石墨烯片悬浮在沟槽或孔洞上完全消除了任何衬底相互作用。这可以测量其真正的固有特性，但设置复杂且精细，不适合构建实用的、可扩展的器件。
为您的目标做出正确的选择
选择衬底需要清楚地了解您的主要目标。
- 如果您的主要重点是标准器件原型制作或基础学术研究： 由于现有的制造工艺，SiO2/Si仍然是最实用和最具成本效益的选择。
- 如果您的主要重点是最大化电子性能和迁移率： 六方氮化硼（hBN）是更优的选择，它提供了一个原子级平坦且惰性的表面。
- 如果您的主要重点是制造柔性电子设备或透明导体： 需要使用PET或PDMS等聚合物衬底来实现所需的机械性能。
归根结底，最好的衬底是能够在不影响其最关键性能指标的情况下，支持您特定应用的衬底。
摘要表：
| 应用目标 | 推荐衬底 | 主要优势 |
|---|---|---|
| 原型制作和通用研究 | SiO2/Si | 具有成本效益、广泛可用、与半导体工具兼容 |
| 高性能电子设备 | 六方氮化硼（hBN） | 原子级平坦，最大限度地减少散射，最大化迁移率 |
| 柔性/透明器件 | 聚合物（PET, PDMS） | 支持可弯曲、可穿戴的应用 |
| 基础物理研究 | 悬浮石墨烯 | 消除衬底相互作用，用于固有属性测量 |
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