Directe synthese van grafeendendrieten op SiO2/Si-substraten door chemische dampafzetting

Resultaten en discussie

De grafeendendrieten werden gesynthetiseerd op de SiO₂ /Si-substraten met een lagedruk-CVD-systeem. In dit CVD-systeem kunnen de groeiparameters van de grafeendendrieten nauwkeurig worden gecontroleerd. Figuur 2a–c tonen grafeendendrieten die zijn gegroeid op het Si-oppervlak van de SiO₂ /Si-substraten bij een andere temperatuur van 980 °C tot 1050 °C. De groeitemperatuur kan de configuratie en de lengte van de grafeendendrieten sterk beïnvloeden. Zoals te zien is in figuur 2, hebben de grafeendendrieten die bij 980 ° C zijn gekweekt een hoge dichtheid en is de typische lengte van de dendriet ongeveer 6 m (figuur 2a). Voor de grafeendendrieten die zijn gekweekt bij 1020 ° C, is de typische lengte van de grafeendendrieten ongeveer 10 m (figuur 2b). Wanneer de groeitemperatuur verder stijgt tot 1050 ° C, neemt de totale lengte van grafeendendrieten toe tot ongeveer 20 m (figuur 2c). Interessant is dat we ontdekken dat grafeendendrieten gekweekt bij 1050 ° C een typische boomachtige structuur vertonen met veel secundaire dendrieten die bovenop de primaire dendrietstructuur zijn gegroeid. De boomachtige grafeendendrieten kunnen ook worden gekweekt op SiO₂ oppervlak van de SiO₂ /Si-substraten bij 1050 ° C zoals weergegeven in Fig. 2d. De lengte van de boomachtige grafeendendrieten is typisch minder dan 10 m. Zoals getoond in Fig. 2c, d, groeien grafeendendrieten in een bepaalde richting, wat kan worden toegeschreven aan de anisotrope oppervlakte-energieën van SiO₂ /Si-substraat [27].

SEM-afbeeldingen van grafeendendrieten gesynthetiseerd op Si-oppervlak van de SiO₂ /Si-substraten bij een groeitemperatuur van 980 °C (a ), 1020 °C (b ), en 1050 °C (c ), en op SiO₂ oppervlak van de SiO₂ /Si-substraten bij 1050 °C (d ). De groeitijd was 120 min

De morfologie van de grafeendendrieten wordt ook sterk beïnvloed door de groeitijd. Figuur 3 toont SEM-afbeeldingen van de grafeendendrieten die op verschillende groeitijden zijn gegroeid. Naarmate de groeitijd toeneemt van 30 tot 120 minuten, neemt de lengte van de boomachtige grafeendendrieten op het Si-oppervlak toe van ~ -6 tot ~ 20 m (Fig. 3a-c), en de lengte van de dendrieten op de SiO₂ oppervlak neemt toe van ~ -1 tot ~  8 m (Fig. 3d-f). Zoals te zien is in figuur 3, is de lengte van dendrieten die op het Si-oppervlak zijn gegroeid groter dan die op de SiO₂ oppervlak onder dezelfde groeiomstandigheden. Dit fenomeen kan worden toegeschreven aan het feit dat de ruwheid van het Si-oppervlak groter is dan die van de SiO₂ oppervlak, aangezien een polijstproces werd uitgevoerd op de SiO₂ oppervlakte. Over het algemeen heeft het ruwe substraat een grote oppervlakte-energie [28, 29], wat gunstig is voor de groei van de grafeendendrieten. Bovendien wordt verwacht dat er een heterostructuur ontstaat tussen grafeendendrieten en Si-oppervlak, aangezien de werkfunctie van grafeen (4,5 ~ 4,8 eV) hoger is dan die van Si (~ -4,3 eV), wat de overdracht van elektronenlading van Si naar grafeen mogelijk maakt [30,31,32].

SEM-afbeeldingen van boomachtige grafeendendrieten gesynthetiseerd op het Si-oppervlak (a–c ) en op de SiO₂ oppervlak (d–f ) van de SiO₂ /Si-substraten voor de verschillende groeitijden van 30 tot 120 min bij 1050 °C

De elementaire samenstelling van de monsters gekweekt op zowel Si-oppervlak als SiO₂ werd onderzocht door EDS. Afbeelding 4a, b tonen de SEM-beeldgebieden uitgevoerd door EDS op zowel Si als SiO₂ oppervlak resp. De EDS-kaarten voor de elementaire C, Si en O van de monsters worden getoond in Fig. 4c-h. De percentages van de elementaire inhoud van de structuren zijn gelabeld in de EDS-scankaarten rechtsboven. Op zowel Si als SiO₂ oppervlak domineert elementair C met meer dan de helft van die 53,8% op Si-oppervlak en 64,4% op SiO₂ . Er wordt ook een kleine hoeveelheid Si- en O-elementen waargenomen (Fig. 4e-h), waarvan wordt aangenomen dat ze afkomstig zijn van SiO₂ /Si-substraten. Het EDS-resultaat bevestigt dat de elementaire samenstelling van het monster in overeenstemming is met die van grafeen.

SEM-afbeeldingen van grafeendendrieten gekweekt op het Si-oppervlak (a ) en SiO₂ oppervlak (b ). EDS-kaarten van elementinhoud van C (c ), Si (e ), en O (g ) gescand in hetzelfde gebied met (a ). EDS-kaarten van elementinhoud van C (d ), Si (f ), en O (h ) gescand in hetzelfde gebied met (b )

Röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS) werd ook uitgevoerd om de gedetailleerde structurele karakterisering van de grafeendendrieten, bereid op de Si en SiO₂, verder te illustreren oppervlak van de SiO₂ /Si-substraten (Fig. 5). De piek C1s bij ongeveer ~-284 eV wordt duidelijk waargenomen op zowel Si als SiO₂ oppervlak, dat kan worden toegewezen aan de sp ² C-C-netwerk [33]. De pieken van O1s bij ~ 533 eV en Si2p bij ~ 104 ​​eV worden ook waargenomen, wat kan worden toegeschreven aan de SiO₂ /Si-substraat [34]. Figuur 5c, d tonen de uithardingspassing van C1s uit respectievelijk figuur 5a, b. Voor beide gevallen kan de piek C1s worden verdeeld in drie pieken. De belangrijkste piek bij ~ 284.7 eV onthult het uiterlijk van sp ² hybridisatiepiek van grafeen. De piek bij ~ 285.3 eV wordt toegewezen aan de sp ³ -hybridisatie C-C binding toe te schrijven aan de verontreiniging van natuurlijke koolstof [35]. De zwakke piek bij ~-288 eV heeft betrekking op koolstof C=O-groepen, die waarschijnlijk afkomstig zijn van de zuurstofverontreiniging tijdens de groei van grafeendendrieten [36].

XPS-spectra van grafeendendrieten gekweekt op SiO₂ (een ) en Si (b ) oppervlak van de SiO₂ /Si-substraten. Curve fit van C1s-piek van grafeendendrieten gegroeid op SiO₂ (c ) en Si (d ) oppervlak van de SiO₂ /Si-substraten

Raman-spectra werden uitgevoerd om de kristalkwaliteit en het aantal lagen van de grafeendendrieten te onderzoeken [37,38,39]. Zoals getoond in Fig. 6a, is de D-piek (~ 1350 cm ⁻¹ ), G-piek (~ 1580 cm ⁻¹ ), en 2D-piek (~ 2680 cm ⁻¹ ) van grafeen worden waargenomen op zowel Si als SiO₂ oppervlak van de SiO₂ /Si-substraten. De G-piek is het kenmerk van de koolstof sp ² structuur en de 2D-piek is de tweede orde van zonegrens fononen. De D-piek is een defectgerelateerde piek die de stoornis van grafeen weerspiegelt [40,41,42,43]. Voor de grafeendendrieten gekweekt op zowel Si als SiO₂ oppervlak is de intensiteit van de G-piek veel hoger dan die van de 2D-piek, wat aangeeft dat grafeendendrieten gegroeid op zowel Si als SiO₂ oppervlakken hebben een meerlagige structuur. Bovendien, als de groeitemperatuur stijgt van 980 tot 1050 °C, wordt de piekintensiteitsverhouding van I _D /I _G neemt af van 1,92 naar 1,81, wat aangeeft dat de kwaliteit van de grafeendendrieten was verbeterd met de toename van de groeitemperatuur (Fig. 6b) [40,41,42,43].

een Raman-spectra van grafeendendrieten gekweekt op zowel Si als SiO₂ oppervlak van SiO₂ /Si-substraten. b Raman-spectra van grpahene-dendrieten gekweekt op Si-oppervlak van 980 °C tot 1050 °C

We hebben verder TEM en SAED uitgevoerd om de gedetailleerde structuur van grafeendendrieten te onderzoeken. De monsters werden vóór de TEM-beeldvorming overgebracht naar het TEM-raster. Uit Fig. 7a, b kunnen we zien dat de diameter van de primaire en secundaire grafeendendrieten respectievelijk ongeveer 1 m en 50 nm is. Figuur 7c, d tonen de SAED-patronen van respectievelijk de primaire en secundaire grafeendendrieten. Voor beide gevallen vertonen de patronen een typische 6-voudige symmetrie van grafeen [44, 45]. De hoge resolutie TEM (HRTEM) afbeeldingen van primaire en secundaire grafeendendrieten genomen vanaf de rand van de monsters worden getoond in Fig. 7e, f. Voor beide gevallen toont de HRTEM-afbeelding een meerlagige structuur, wat aangeeft dat de dendriet bestaat uit meerlagig grafeen. Dit resultaat komt overeen met Raman-karakterisering.

TEM-afbeeldingen met lage vergroting van de primaire (a ) en de secundaire (b ) grafeendendrieten en de SAED-patronen uit primaire (c ) en de secundaire (d ) grafeendendrieten, respectievelijk. TEM-afbeeldingen met hoge resolutie van primaire (e ) en de secundaire (f ) grafeen dendrieten

De elektrische eigenschappen van de grafeendendrieten werden geëvalueerd met een back-gated veldeffecttransistor (FET). Voor de elektrische meting werden de monsters in een sondestation geplaatst. Twee wolfraammicrosondes (diameter 10 m) werden gebruikt als bron- en afvoerelektroden en direct op de SiO₂ geplaatst oppervlak aan twee uiteinden van verschillende geselecteerde monsters van grafeendendrieten. Figuur 8a toont de lineaire en reproduceerbare I _SD -V _SD krommen bij nulpoortspanning, wat het ohmse contact aantoont dat is verkregen tussen grafeendendrieten en wolfraamsondes. De weerstand R van de grafeendendrieten is ongeveer 6110 Ω. De soortelijke weerstand ρ wordt verkregen via de vergelijking:

een Een representatieve stroom-spanning (I _SD -V _SD ) krommen van de grafeendendrieten bij nulpoortspanning. b Hall-weerstanden als functie van magnetische veldsterkte voor grafeendendrieten

Waar de S en L zijn de doorsnede en lengte van de grafeendendrieten. De geleidbaarheid σ wordt berekend met de formule:

$$ \sigma =1/\rho $$ (2)

Op basis van de bovenstaande analyse is de elektrische geleidbaarheid van de dendrieten ~ 286 Scm ⁻¹ .

Elektronische transportmetingen op de SiO₂ oppervlak met van der Pauw-structuur werden bij kamertemperatuur uitgevoerd. Hall-weerstand (R _xy ) als functie van de magnetische veldsterkte is getoond in figuur 8b. Zaalcoëfficiënt R _H wordt berekend met de formule:

$$ {R}_H=R\mathrm{xy}/B\cdot t $$ (3)

Waar t is de dikte van het monster, en Rxy is de longitudinale weerstand. Hall-coëfficiënt is − 1,2 cm ³ /C.

De soortelijke weerstand van de grafeendendrieten wordt geëxtraheerd door de vergelijkingen:

$$ \rho =\frac{\pi \kern0.28em t}{1n2}\cdot \frac{R_{xx-1}+{R}_{xx-2}}{2}\cdot f\left( \frac{R_{xx-1}}{R_{xx-2}}\right) $$ (4)

Waar ρ is de soortelijke weerstand van het monster, R _xx is de longitudinale weerstand, f is de van der Pauw-factor, en de waarde ervan ligt dicht bij 1 en wordt dus verwaarloosd. De verkregen geleidbaarheid is ~ 474 S/cm, wat vergelijkbaar is met de waarde van ~ 286 Scm ⁻¹ gemeten door FET.

Verder berekenen we de Hall-mobiliteit verder met de volgende formule:

$$ \mu =\frac{\mid {R}_H\mid }{\rho } $$ (5)

De Hall-mobiliteit van grafeendendrieten wordt berekend op ~ 574 cm ² /Vs, wat veel hoger is dan die van de eerder gerapporteerde dunne film van nanokristallijn grafeen [46].

Om de mechanische eigenschappen van de grafeendendrieten te evalueren, werd AFM-beeldvorming in PFQNM-modus gebruikt om de Young's modulus van de grafeendendrieten te onderzoeken. De metingen zijn uitgevoerd onder omgevingsomstandigheden bij kamertemperatuur. Figuur 9a toont de gegevens die de kracht plot als functie van de scheiding, die de interactie weergeeft van een naderende (groene lijn) en terugtrekkende (rode lijn) cyclus in PFQNM.

een AFM-kracht-verplaatsingscurve van grafeendendrieten. b AFM DMT Modulus afbeelding van Young's modulus van grafeendendrieten

Om Young's modulus te verkrijgen, werd een fit van de retractiecurve geïmplementeerd met behulp van het Derjaguin-Muller-Toporov (DMT) -model [47].

$$ F-{F}_{adh}=\frac{4}{3}{E}^{\ast}\sqrt{R{d}^3} $$ (6)

waar de F-F _adh vertegenwoordigt de kracht op de cantilever ten opzichte van de adhesiekracht, R is de straal van het uiteinde van het uiteinde, en d is de vervorming van het monster. Het resultaat van de pasvorm is de verminderde modulus E* . De modulus van Young kan worden berekend met de volgende vergelijking

$$ {E}^{\ast }={\left[\frac{1-{V}_S^2}{E_S}+\frac{1-{V}_{tip}^2}{E_{tip }}\right]}^{-1} $$ (7)

waar de v _s en v _tip zijn de Poisson-verhouding van respectievelijk de monsters en de tip, de Es en E _tip zijn Young's modulus de monsters en tip, respectievelijk. Monster met een scangrootte van 2,0 m × 2,0 m werd getest. Zoals weergegeven in Fig. 9b, worden de grafeendendrieten weergegeven in het gele gebied van de kaart. Young's modulus van grafeendendrieten is maximaal 2,26 GPa verkregen uit het gele kruis gemarkeerde gebied.

We vergelijken de mechanische en elektrische eigenschappen van verschillende soorten van grafeen afgeleide materialen zoals weergegeven in Tabel 1 [11,12,13,14, 23]. De geleidbaarheid van onze grafeendendriet is enkele orden hoger dan die van grafeenhydrogel en de grafeendendriet geproduceerd door de elektrochemische methode [23]. De waarde is ook vergelijkbaar met die van de andere van grafeen afgeleide materialen, zoals grafeenvezels van ~ 10 Scm ⁻¹ [12] en 2,5 × 10 ⁴ Sm ⁻¹ (250 Scm ^-1 ) [13] en grafeenpapier van 351 Scm ⁻¹ [14]. Voor de mechanische sterkte is Young's modulus van grafeendendrieten in dit werk veel hoger dan grafeenhydrogel van ~  450 kPa (~ 4.5 × 10 ⁻⁴ GPa), en is ook vergelijkbaar met die van grafeenvezels van 420 MPa (0,42 GPa) [12] en ~-7700 MPa (~-7,7 GPa) [13]. In vergelijking met de andere van grafeen afgeleide materialen, is de grafeendendriet meer geschikt voor gebruik in het nano-elektronische apparaat vanwege de diameter op nanometerniveau en goede compatibiliteit met de bestaande halfgeleidertechnologie.

Conclusies

In dit werk hebben we met succes directe groei van grafeendendrieten bereikt op zowel Si als SiO₂ oppervlakken op SiO₂ /Si-substraten met behulp van een CVD-methode. De morfologie van de grafeendendrieten kan worden geregeld door de groeitemperatuur en groeitijd. Raman-spectra en TEM-analyse gaven aan dat de grafeendendrieten een meerlagige structuur hebben. De grafeendendrieten vertonen uitstekende elektrische eigenschappen met een geleidbaarheid van ~ 286 Scm ⁻¹ en Hall-mobiliteit van ~ 574 cm ² (Vs) ⁻¹ . De grafeendendrieten vertonen ook goede mechanische prestaties met Young's modulus tot 2,26 GPa. De methode vermijdt de noodzaak van een gecompliceerd en bekwaam overdrachtsproces na de groei en is compatibel met de huidige bestaande halfgeleidertechnologie, en is dus veelbelovend in nano-elektronische toepassingen.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

Alle gegevens die tijdens dit onderzoek zijn gegenereerd of geanalyseerd, zijn opgenomen in dit gepubliceerde artikel.

Afkortingen

AFM:

Atoomkrachtmicroscopie

CVD:

Chemische dampafzetting

DMT:

Derjaguin-Muller-Toporov

EDS:

Energiedispersieve spectroscopie

PFQNM:

PeakForce kwantitatieve nanomechanische mapping

SAED:

Geselecteerd gebied elektronendiffractiepatroon

SEM:

Scanning elektronenmicroscopie

TEM:

Transmissie-elektronenmicroscopie

XPS:

Röntgenfoto-elektronenspectroscopie