줄 열 분해에 의해 4H-SiC에서 에피택셜 성장한 다층 그래핀의 라만 분광법

결과 및 토론

4개의 MLG 샘플은 SiC 기판에 2.79, 3.05, 3.24 및 3.43A의 서로 다른 DC를 적용하여 준비했으며 DC는 그래핀 합성 동안 5분 동안 안정적으로 유지되었습니다. DC가 증가함에 따라 기판 중앙의 온도는 각각 ~ 1230, 1350, 1470 및 1600°C였습니다. MLG의 성장이 완료된 후 샘플을 라만 분광법으로 조사했습니다. 그림 1b에서 볼 수 있듯이 그래핀에 해당하는 여러 피크가 관찰되었으며 이는 세 가지 주요 밴드로 식별됩니다. , (ii) ~ 1600cm ⁻¹ 의 주파수에서 평면 내 진동 G 밴드 및 (iii) ~ 2750cm ⁻¹ 의 주파수에서 2-포논 2D 대역 [15]. 단층 MCG(Micromechanical cleavage graphene)와 비교할 때 중요한 관찰 결과는 G(~ 1600cm ⁻¹ ) 및 2D(~ 2750cm ⁻¹ ) MLG 대역은 G 대역에서 더 높은 주파수 쪽으로 크게 이동합니다(1580cm ⁻¹ ). ) 및 2D(2673cm ⁻¹ ) MCG [16]. G 밴드(~ 20cm ⁻¹ ) 및 2D 밴드(~ 77cm ⁻¹ ). Ni는 6H-SiC에 대한 에피택셜 그래핀의 변형 효과가 그래핀의 격자 상수를 어떻게 변화시켰는지, 그리고 더 나아가 라만 주파수에 영향을 미치는지를 설명했습니다[16]. 다른 사람들은 도핑이 G 및 2D 피크의 청색 편이를 일으킬 수 있다고 보고했지만[17,18,19], 그 효과는 앞서 언급한 것에 비해 매우 약했습니다. 여기에서 G 및 2D 밴드의 청색 이동은 그래핀과 SiC 기판의 격자 불일치로 인한 변형 효과에 기인할 수 있습니다[16]. 그림 1b에서 ~ 1230°C에서 준비된 MLG 샘플에서 가져온 적색 스펙트럼에서 그래핀의 해당 G 밴드와 D 밴드의 모양을 관찰했습니다. 나의 높은 가치 _D (D 밴드의 강도)를 I로 나눈 값 _G (G 밴드의 강도) (I _D /나 _G ) 및 2D 밴드에 대한 명백한 증거는 많은 결함과 그래핀의 불량한 결정도를 나타내지 않았습니다. 그 이유는 C 원자가 이처럼 낮은 성장 온도에서 그래핀 우물의 재구성을 처리하기에 충분한 운동 에너지를 얻지 못했기 때문일 수 있습니다[20]. 가열 온도를 ~ 1350°C로 증가시키면 I의 값이 _D /나 _G ~ 1.01에서 ~ 0.38로 감소하여 MLG의 결함 비율이 더 낮음을 나타냅니다. 반치폭(FWHM) ~ 2cm ⁻¹ 인 대칭 2D 밴드 MLG의 결정화와 더 나은 품질을 추가로 입증했습니다. 그리고 SiC의 낮은 라만 강도는 우리가 준비한 샘플이 다층 그래핀임을 증명했습니다[21]. 성장 온도가 1470°C로 추가로 증가함에 따라 I _D /나 _G ~ 0.06으로 계속 감소하여 결함 수가 더 감소했음을 나타냅니다. 더욱이, 2D 밴드는 약간의 적색 편이를 가졌다. 더 높은 줄 가열 온도에서 더 많은 그래핀 층이 형성됨에 따라 MLG와 SiC 사이의 계면에 변형 완화가 있을 수 있다고 가정합니다[16]. 또한 라만 분광기를 사용하여 ~ 1600°C에서 준비된 MLG를 조사했습니다. 그러나 더 높은 나 _D /나 _G (~ 0.43)이 관찰되어 결함의 증가를 나타냅니다. 우리의 가설은 평형상태가 아닌 진공 승화 과정에서 흑연화율이 높기 때문에 발생하여 MLG 표면에 더 많은 표면 전위 또는 주름이 발생한다는 것입니다[14]. 또한 D, G 및 2D 밴드의 추가 적색 편이가 관찰되었으며 이는 더 많은 변형 완화를 의미하므로 더 많은 그래핀 층이 합성되었습니다[16].

그런 다음 JHD 프로세스 시간이 MLG의 성장에 미치는 영향에 초점을 맞췄습니다. 나로서 _D /나 _G 1470°C에서 성장한 MLG의 가장 낮았고, 3개의 샘플이 3.24A(~ 1470°C)의 DC에서 각각 2, 5, 10분 동안 준비되었으며 라만 스펙트럼은 그림 1c에 나와 있습니다. 나 _D /나 _G 5분 성장한 MLG의 약 0.06으로 2분(~ 0.41) 및 10분(~ 0.29) 성장한 MLG보다 낮았으며, 이는 5분 성장한 MLG가 결함이 가장 적음을 나타냅니다. 그 이유는 C 원자가 균질한 그래핀 층을 재구성하기에는 2분이 너무 짧고, 불연속, 불균일, 적층 무질서와 같은 그래핀 결함이 간헐적으로 나타났기 때문일 수 있다. 그러나 MLG 성장에는 10분이 너무 길 수 있습니다. 챔버의 잔류 가스에 의해 영향을 받아 결함이 생성되기 때문입니다[22]. 시간이 증가함에 따라 G 또는 2D 피크 위치의 적색 이동은 그림 1c에서 관찰되지 않았으며, 이는 그래핀 층과 기판 사이의 변형률이 이러한 샘플에 대해 거의 동일해야 함을 나타냅니다. 변하지 않은 변형은 I _G /나 _2D 거의 동일했으며(2분에 2.7, 5분에 3.0, 10분에 2.8) I _SiC /나 _G 나는 _SiC 는 라만 밴드의 강도입니다(~ 1520cm ⁻¹ 에서 ) 4H-SiC [21]의 경우.

열전도율 차이로 인해 SiC와 Mo 전극의 접촉면에서 줄 발열량이 더 빨리 빠져나갑니다. 이 경우 기판의 중앙은 JHD 공정에서 가장 높은 온도를 얻을 수 있고, 스폿이 Mo 전극에 가까울수록 가열 온도는 더 낮아집니다. 따라서 라만 분광법을 사용하여 3.24A의 DC에서 준비된 샘플의 여러 지점(그림 1a의 삽입 그림 참조)에서 MLG를 특성화했으며 그 결과를 그림 1d에 표시했습니다. 위치 C와 B 사이의 거리는 약 3mm, 위치 B와 A 사이의 거리가 약 6mm입니다. A와 B의 라만 스펙트럼은 I의 낮은 값을 나타냈습니다. _D /나 _G , 결함이 거의 없는 대칭 2D 밴드와 함께. 나의 간신히 변화 _G /나 _2D 그리고 나 _SiC /나 _G 또한 이 두 위치 간에 유사한 계층의 MLG 수를 증명했습니다. 또한 G 및 2D 밴드의 명확한 라만 이동도 MLG의 균질성을 나타내지 않았습니다. 따라서 ~ 12 × 5 mm ² 의 면적을 합성할 수 있습니다. JHD 방식으로 그래핀 층의 균일성이 우수한 MLG.

MLG의 균일성을 더 연구하기 위해 그림 2a는 그림 1a의 삽입된 영역 A에서 특성화되는 샘플의 광학 이미지를 보여줍니다. 그림 2에서 볼 수 있듯이 일부 어두운 점을 제외하고는 표면의 색상 대비가 거의 균일했습니다. 우리는 그림 2b의 라만 매핑에서 볼 수 있듯이 이 어두운 점들이 2D 밴드의 강도가 가장 높다는 것을 발견했습니다. 그림 2c는 그림 2b에서 원으로 표시된 해당 영역의 라만 스펙트럼을 다른 색상으로 보여줍니다. 또한 어두운 점(검정색 원)에서 G 및 2D 밴드의 강도가 다른 영역보다 훨씬 높은 것으로 나타났습니다. 게다가, G 및 2D 밴드의 피크 위치는 약간 빨간색으로 이동했습니다. 가설은 그래핀의 형성이 SiC 표면의 나사 전위 또는 기타 결함(저희 연구에서는 어두운 점)의 부위와 SiC의 분해 속도 및 그래핀의 성장을 선호한다는 것이었습니다. 다른 지역보다 빠를 것입니다. 그림 2d는 2D 밴드의 FWHM(full width at half maximum)을 보여주었으며, 이는 SiC의 결함이 있는 영역을 제외하고는 다소 균일했습니다.

아 3.24A에서 5분 동안 준비하고 중심에서 특성화한 MLG 샘플의 광학 이미지. ㄴ a의 점선 사각형으로 표시된 영역에서 2D 밴드의 강도에 대한 라만 매핑 . ㄷ b에 표시된 원의 라만 스펙트럼 . d 2D 대역의 FWHM에 대한 라만 매핑

~ 1470°C에서 5분 동안 준비한 그래핀의 층 수를 조사하기 위해 그림 3a와 같이 AFM을 사용하여 ICP 에칭 후 MLG 샘플을 특성화했습니다. O₂로 에칭 , MLG와 에칭된 부분 사이에 테라스가 있었다. 그림 3a의 삽입도 대비의 차이를 보여주었지만 밝은 부분은 에칭되지 않았고 어두운 부분은 에칭되었습니다. 그리고 AFM 이미지의 다른 위치에서 테라스의 높이 프로파일은 그림 3b에 설명되어 있습니다. 식각 후 그래핀의 존재를 추가로 확인하기 위해 그림 3c와 같이 ICP 식각이 있는 지점과 없는 지점에서 라만 스펙트럼을 촬영했습니다. 불분명한 D, G 또는 2D 밴드는 그래핀이 완전히 에칭 제거되었음을 증명했습니다. 그런 다음 MLG와 식각된 부품 사이의 평균 높이 차이를 높이 프로파일로 생각했고 값은 ~ 15.46nm였으며, 이는 그래핀 층 수가 ~ 45개(층간 간격은 ~ 0.34nm)임을 의미했습니다[24]. 또한, ICP 에칭 후 RMS(Root-mean-square) 값이 0.84nm에서 2.79nm로 증가했는데, 이는 결함으로 인한 SiC의 분해 속도 차이로 인해 성장 후 거친 SiC 표면을 생성하기 때문일 수 있습니다. 그래핀.

아 삽입된 빨간색 사각형에서 촬영한 ICP 에칭으로 하프 에칭된 MLG의 AFM 이미지. 삽입은 MLG 샘플의 이미지이고 밝은 부분은 MLG로 덮였습니다. MLG는 1470°C에서 5분 동안 합성되었습니다. ㄴ AFM 이미지의 다른 위치에서 테라스의 높이 프로파일. 테라스의 평균 높이는 ~ 15.46nm입니다. ㄷ a 샘플의 라만 스펙트럼 , 빨간색과 검은색 스펙트럼은 에칭 전후의 샘플에 해당했습니다.

그런 다음 MLG의 전기적 특성을 조사했습니다(~ 1470°C에서 5분 동안 합성됨). 실온에서 그림 4a와 같이 LTLM의 인접한 Au 전극의 IV 특성을 측정했습니다. 방정식 [25]에 따르면,