Raman-spectroscopie van meerlaags grafeen epitaxiaal gegroeid op 4H-SiC door Joule Heat Decomposition

Resultaten en discussie

Vier MLG-monsters werden bereid door verschillende DC's van 2,79, 3,05, 3,24 en 3,43 A op de SiC-substraten aan te brengen, en de DC's werden gedurende 5 minuten stabiel gehouden tijdens de synthese van grafeen. Met de toename van de DC's waren de temperaturen in het midden van substraten respectievelijk ~-1230, 1350, 1470 en 1600 ° C. Nadat de groei van MLG was voltooid, werden de monsters onderzocht met Raman-spectroscopie. Zoals weergegeven in figuur 1b, werden verschillende pieken waargenomen die overeenkomen met grafeen, die werden geïdentificeerd door drie hoofdbanden:(i) de defect-geïnduceerde D-band met een frequentie van ~-1370 cm ^-1 , (ii) de in-plane vibrationele G-band met een frequentie van ~ 1600 cm ⁻¹ , en (iii) de twee-phonon 2D-band met een frequentie van ~ 2750 cm ⁻¹ [15]. Vergeleken met een enkellaags micromechanische splitsingsgrafeen (MCG), was een belangrijke observatie dat de G (~ 1600 cm ⁻¹ ) en 2D (~ 2750 cm ⁻¹ ) banden van MLG verschuiven aanzienlijk in de richting van een hogere frequentie dan die van G (1580 cm ⁻¹ ) en 2D (2673 cm ⁻¹ ) van MCG [16]. Er kunnen verschillende redenen zijn die de significante verschuivingen van de G-band hebben veroorzaakt (~ 20 cm ⁻¹ ) en 2D-band (~ 77 cm ⁻¹ ). Ni illustreerde hoe het spanningseffect van het epitaxiale grafeen op 6H-SiC de roosterconstante van grafeen veranderde en de Raman-frequenties verder beïnvloedde [16]. Anderen hebben gemeld dat de doping de blauwverschuiving van G- en 2D-pieken zou kunnen veroorzaken [17,18,19], maar het effect was erg zwak in vergelijking met de bovengenoemde. Hier kon de blauwverschuiving van G- en 2D-banden worden toegeschreven aan het spanningseffect dat werd veroorzaakt door de roostermismatch van grafeen en SiC-substraat [16]. Uit figuur 1b hebben we het uiterlijk waargenomen van de overeenkomstige G-band en D-band van grafeen uit het rode spectrum, dat werd genomen uit het MLG-monster dat was bereid bij ~-1230 ° C. De hoge waarde van I _D (intensiteit van D-band) gedeeld door I _G (intensiteit van G-band) (I _D /Ik _G ) en geen duidelijk bewijs voor 2D-band wees op veel defecten en een slechte kristalliniteit van grafeen. De reden zou kunnen zijn dat C-atomen niet genoeg kinetische energie konden verkrijgen om de reconstructie van het grafeen goed te verwerken bij zo'n lage groeitemperatuur [20]. Door de verwarmingstemperatuur te verhogen tot ~ 1350 °C, wordt de waarde van I _D /Ik _G daalde van ~-1,01 tot ~-0,38, wat aangaf dat de MLG een lager percentage defecten had. De symmetrische 2D-band met een volledige breedte op half maximum (FWHM) ~ 72 cm ⁻¹ toonde verder de kristallisatie van MLG en zijn betere kwaliteit aan. En de lage Raman-intensiteit van SiC heeft bewezen dat de monsters die we hebben voorbereid het meerlagige grafeen waren [21]. Met de groeitemperatuur verder verhoogd tot 1470 °C, de I _D /Ik _G bleef dalen tot ~ -0,06, wat aangeeft dat het aantal defecten verder was verminderd. Bovendien had de 2D-band een lichte roodverschuiving. We nemen aan dat er mogelijk een trekontlasting is in het grensvlak tussen MLG en SiC naarmate er meer grafeenlagen werden gevormd bij een hogere Joule-verwarmingstemperatuur [16]. We onderzochten ook de MLG die was bereid bij ~-1600 ° C met Raman-spectroscopie. Echter, een hogere I _D /Ik _G (~ -0,43) waargenomen, wat wijst op een toename van defecten. Onze hypothese was dat het zou kunnen voortkomen uit de hoge grafitiseringssnelheden in het vacuümsublimatieproces dat niet in evenwicht is, en dus meer oppervlaktedislocaties of golvingen op het oppervlak van MLG veroorzaakte [14]. Bovendien werden verdere roodverschuivingen van D-, G- en 2D-banden waargenomen, wat meer spanningsontlasting betekende en dus meer grafeenlagen werden gesynthetiseerd [16].

Vervolgens hebben we ons gericht op de invloed van JHD-procestijd op de groei van MLG. Als de ik _D /Ik _G van de MLG gekweekt bij 1470 ° C het laagst was, werden drie monsters bereid bij de DC van 3,24 A (~ -1470 ° C) gedurende respectievelijk 2, 5 en 10 minuten, en Raman-spectra werden getoond in Fig. 1c. De ik _D /Ik _G van de MLG die gedurende 5 minuten was gekweekt, was ongeveer 0,06, wat lager was dan de andere gedurende 2 minuten (~ -0,41) en 10 minuten (~ -0,29), wat aangeeft dat MLG die gedurende 5 minuten is gekweekt de minste defecten had. De reden kan zijn dat 2 minuten te kort was voor C-atomen om homogene grafeenlagen te reconstrueren, en grafeendefecten zoals discontinuïteit, inhomogeniteit en stapelstoornis kwamen af ​​en toe voor. 10 minuten kan echter te lang zijn voor MLG-groei, omdat ze zouden worden beïnvloed door de restgassen in de kamer en dus defecten zouden veroorzaken [22]. Naarmate de tijd toenam, werd er geen rode verschuiving van de G- of 2D-piekpositie waargenomen in figuur 1c, wat aangeeft dat de spanning tussen grafeenlagen en het substraat voor deze monsters bijna hetzelfde zou moeten zijn. De onveranderde spanning zou kunnen zijn dat het aantal grafeenlagen nauwelijks werd verhoogd, omdat de I _G /Ik _2D waren bijna hetzelfde (2,7 gedurende 2 min, 3,0 gedurende 5 min en 2,8 gedurende 10 min) en de I _SiC /Ik _G was nauwelijks verandering, waar I _SiC is de intensiteit van de Raman-band (bij ~ 1520 cm ⁻¹ ) voor 4H-SiC [21].

Vanwege het verschil in thermische geleidbaarheid zou het Joule-verwarmingsvermogen aan het contactoppervlak van SiC- en Mo-elektroden sneller ontsnappen. In dat geval zou het midden van het substraat de hoogste temperatuur krijgen tijdens het JHD-proces, terwijl als de plek dichter bij de Mo-elektroden zou zijn, de verwarmingstemperatuur lager zou zijn. Daarom werd Raman-spectroscopie gebruikt om de MLG vanaf verschillende plekken te karakteriseren (zoals weergegeven in de inzet van figuur 1a) op het monster bereid bij de DC van 3,24 A, en de resultaten werden getoond in figuur 1d. De afstanden zijn ongeveer 3 mm tussen positie C en B, en ongeveer 6 mm tussen posities B en A. Raman-spectra van A en B vertoonden een vrij lage waarde van I _D /Ik _G , samen met symmetrische 2D-banden, die op weinig defecten wezen. De nauwelijks verandering van I _G /Ik _2D en ik _SiC /Ik _G bewees ook het aantal MLG van een vergelijkbare laag tussen deze twee posities. Verder toonden geen duidelijke Raman-verschuivingen van de G- en 2D-band ook de homogeniteit van MLG aan. Daarom zouden we een oppervlakte van ~ 12 × 5 mm ² . kunnen synthetiseren MLG met goede uniformiteit van grafeenlagen door de JHD-methode.

Om de uniformiteit van de MLG verder te bestuderen, illustreerde figuur 2a het optische beeld van het monster dat wordt gekenmerkt door het gebied A in de inzet van figuur 1a. In figuur 2a is te zien dat het grootste deel van het kleurcontrast van het oppervlak vrij gelijkmatig was, op enkele donkere stippen na. We ontdekten dat deze donkere stippen de hoogste intensiteit van de 2D-band hadden, zoals weergegeven in de Raman-toewijzing van figuur 2b. Figuur 2c demonstreerde de Raman-spectra van het overeenkomstige gebied gemarkeerd in cirkels in figuur 2b met een andere kleur. Het toonde ook aan dat de intensiteit van G- en 2D-banden van de donkere stippen (zwarte cirkel) veel hoger was dan het andere gebied. Bovendien was de piekpositie van zowel G- als 2D-banden enigszins rood verschoven. De hypothese was dat de vorming van grafeen de voorkeur zou geven aan plaatsen met schroefdislocaties of andere defecten (de donkere stippen in ons werk) op het oppervlak van SiC [23], en de snelheid van ontbinding van SiC, evenals de groei van grafeen, sneller zou zijn dan het andere gebied. Afbeelding 2d toonde de volledige breedte bij half maximum (FWHM) van de 2D-band, die vrij uniform was, behalve voor regio's waar defecten van SiC aanwezig waren.

een Optisch beeld van een MLG-monster dat gedurende 5 minuten bij 3,24 A werd bereid en vanuit het midden werd gekarakteriseerd. b Raman-toewijzing voor de intensiteit van de 2D-band van het gemarkeerde gebied in het gestreepte vierkant in a . c De Raman-spectra van de gemarkeerde cirkels in b . d Raman-mapping voor de FWHM van 2D-band

Om het aantal lagen van het grafeen te onderzoeken dat we gedurende 5 minuten bij ~-1470 ° C hebben bereid, gebruiken we AFM om het MLG-monster te karakteriseren na de ICP-ets, zoals weergegeven in figuur 3a. Geëtst met O₂ , er was een terras tussen MLG en het geëtste deel. De inzet in figuur 3a toonde ook het verschil in contrast, terwijl het lichte deel niet geëtst was en het donkere deel was geëtst. En de hoogteprofielen van het terras op verschillende posities op het AFM-beeld werden geïllustreerd in Fig. 3b. Om het bestaan ​​​​van grafeen na het etsen verder te bevestigen, werden Raman-spectra genomen op de plekken met en zonder ICP-etsen, zoals weergegeven in figuur 3c. De niet voor de hand liggende D-, G- of 2D-banden bewezen dat het grafeen volledig was weggeëtst. Vervolgens hebben we het gemiddelde hoogteverschil tussen de MLG en het geëtste deel gemeten, volgens de hoogteprofielen, en de waarde was ~-15,46 nm, wat betekende dat het aantal grafeenlagen ~~45 was (de tussenlaag was ~ -0,34 nm) [24]. Bovendien nam de root-mean-square (RMS) waarde toe van 0,84 tot 2,79 nm na ICP-etsen, wat te wijten kan zijn aan het verschil in ontledingssnelheid van SiC veroorzaakt door de defecten en dus een ruw oppervlak van SiC genereert na groei van grafeen.

een AFM-afbeelding van MLG met de helft geëtst door ICP-etsen die werd genomen in het rode vierkant van de inzet. De inzet was het beeld van het MLG-monster en het lichte deel was bedekt met MLG. De MLG werd gedurende 5 minuten bij 1470 ° C gesynthetiseerd. b hoogteprofielen van het terras op verschillende posities op het AFM beeld. De gemiddelde hoogte van het terras is ~ 15,46 nm. c Raman-spectra van het monster in a , de rode en zwarte spectra kwamen overeen met het monster voor en na het etsen

Vervolgens hebben we de elektrische eigenschappen van de MLG onderzocht (gesynthetiseerd bij ~-1470 ° C gedurende 5 minuten). Bij kamertemperatuur hebben we de IV-eigenschappen van de aangrenzende Au-elektroden van de LTLM gemeten, zoals weergegeven in figuur 4a. Volgens de vergelijkingen [25],

een De IV-eigenschappen van het Au-grafeen-Au-contact. De inzet is het schematische diagram van LTLM. b De lineaire pasvorm van de totale contactweerstand van Au ohms contact als functie van de afstand van de contactvlakken van 5 tot 20 μm

Terwijl R _T is de totale weerstand, ρ _s is de plaatweerstand, R _C is de contactweerstand, ρ _c is de specifieke contactweerstand, Z is de breedte van de MLG (40 μm), d is de ruimte tussen de Au-elektroden (respectievelijk 5, 10, 15 en 20 μm) en L _T is de lengte van de transmissielijn voor elektriciteit. Door de lineaire fit van de experimentele gegevens, zoals weergegeven in figuur 4b, zouden we R kunnen krijgen _C en L _T . Volgens de eq. (1) en (2), ρ _s en ρ _c werden berekend als 52,36 Ω/sq en 5,03 × 10 ⁻⁵ Ω cm ² , respectievelijk.