Espectroscopia Raman de grafeno multicapa cultivado epitaxialmente en 4H-SiC por descomposición térmica de Joule

Resultados y discusión

Se prepararon cuatro muestras de MLG aplicando diferentes DC de 2,79, 3,05, 3,24 y 3,43 A sobre los sustratos de SiC, y las DC se mantuvieron estables durante 5 min durante la síntesis de grafeno. Con el aumento de las CD, las temperaturas en el centro de los sustratos fueron ~ 1230, 1350, 1470 y 1600 ° C, respectivamente. Una vez que se completó el crecimiento de MLG, las muestras se investigaron mediante espectroscopía Raman. Como se muestra en la Fig. 1b, se observaron varios picos correspondientes al grafeno, que fueron identificados por tres bandas principales:(i) la banda D inducida por defectos a una frecuencia de ~ 1370 cm ⁻¹ , (ii) la banda G vibratoria en el plano a una frecuencia de ~ 1600 cm ⁻¹ y (iii) la banda 2D de dos fonones a una frecuencia de ~ 2750 cm ⁻¹ [15]. En comparación con un grafeno de escisión micromecánica de una sola capa (MCG), una observación importante fue que el G (~ 1600 cm ⁻¹ ) y 2D (~ 2750 cm ⁻¹ ) las bandas de MLG cambian significativamente hacia una frecuencia más alta que las de G (1580 cm ⁻¹ ) y 2D (2673 cm ⁻¹ ) de MCG [16]. Puede haber varias razones que causaron los cambios significativos de la banda G (~ 20 cm ⁻¹ ) y banda 2D (~ 77 cm ⁻¹ ). Ni ilustró cómo el efecto de deformación del grafeno epitaxial sobre el 6H-SiC cambió la constante de red del grafeno y afectó aún más las frecuencias Raman [16]. Otros han informado que el dopaje podría causar el desplazamiento al azul de los picos G y 2D [17,18,19], pero el efecto fue muy débil en comparación con el mencionado anteriormente. En este caso, el desplazamiento hacia el azul de las bandas G y 2D podría atribuirse al efecto de tensión que fue causado por el desajuste de la red entre el grafeno y el sustrato de SiC [16]. En la Fig. 1b, observamos la aparición de la banda G y la banda D correspondientes del grafeno del espectro rojo, que se tomó de la muestra MLG preparada a ~ 1230 ° C. El alto valor de I _D (intensidad de la banda D) dividido por I _G (intensidad de la banda G) ( I _D / Yo _G ) y ninguna evidencia obvia de la banda 2D indicó muchos defectos y una pobre cristalinidad del grafeno. La razón podría ser que los átomos de C no pudieron obtener suficiente energía cinética para procesar bien la reconstrucción del grafeno a una temperatura de crecimiento tan baja [20]. Al aumentar la temperatura de calentamiento a ~ 1350 ° C, el valor de I _D / Yo _G disminuyó de ~ 1.01 a ~ 0.38, lo que indicó que el MLG tenía una menor proporción de defectos. La banda 2D simétrica con un ancho completo a la mitad del máximo (FWHM) ~ 72 cm ⁻¹ demostró además la cristalización de MLG y su mejor calidad. Y, la baja intensidad Raman de SiC ha demostrado que las muestras que hemos preparado fueron el grafeno multicapa [21]. Con la temperatura de crecimiento aumentada aún más a 1470 ° C, el I _D / Yo _G continuó disminuyendo a ~ 0.06, lo que indica que el número de defectos se redujo aún más. Además, la banda 2D tenía un ligero desplazamiento hacia el rojo. Suponemos que podría haber un alivio de tensión en la interfaz entre MLG y SiC a medida que se formaron más capas de grafeno a una temperatura de calentamiento Joule más alta [16]. También investigamos el MLG que se preparó a ~ 1600 ° C con espectroscopía Raman. Sin embargo, un I más alto _D / Yo _G (~ 0,43), lo que indica un aumento de defectos. Nuestra hipótesis era que podría originarse a partir de las altas tasas de grafitización en el proceso de sublimación al vacío fuera de equilibrio y, por lo tanto, causó más dislocaciones o corrugaciones superficiales en la superficie de MLG [14]. Además, se observaron más cambios al rojo de las bandas D, G y 2D, lo que significó un mayor alivio de tensión y, por lo tanto, se sintetizaron más capas de grafeno [16].

Luego, nos enfocamos en la influencia del tiempo de proceso de JHD en el crecimiento de MLG. Como el yo _D / Yo _G de la MLG cultivada a 1470 ° C fue la más baja, se prepararon tres muestras a la CD de 3,24 A (~ 1470 ° C) durante 2, 5 y 10 min, respectivamente, y los espectros Raman se muestran en la Fig. 1c. El yo _D / Yo _G del MLG cultivado durante 5 min fue de aproximadamente 0,06, que fue más bajo que el otro cultivado durante 2 min (~ 0,41) y 10 min (~ 0,29), lo que indica que el MLG cultivado durante 5 min tuvo la menor cantidad de defectos. La razón podría ser que 2 minutos fue demasiado corto para que los átomos de C reconstruyeran capas de grafeno homogéneas, y ocasionalmente aparecieron defectos de grafeno como discontinuidad, inhomogeneidad y desorden de apilamiento. Sin embargo, 10 min podría ser demasiado tiempo para el crecimiento de MLG, ya que se verían afectados por los gases residuales en la cámara y generarían defectos [22]. A medida que pasó el tiempo, no se observó un desplazamiento hacia el rojo de la posición del pico G o 2D de la Fig. 1c, lo que indica que la tensión entre las capas de grafeno y el sustrato debería ser casi la misma para estas muestras. La tensión sin cambios podría ser que el número de capas de grafeno apenas aumentó, ya que I _G / Yo _2D eran casi iguales (2,7 durante 2 minutos, 3,0 durante 5 minutos y 2,8 durante 10 minutos) y el I _SiC / Yo _G fue apenas cambio, donde yo _SiC es la intensidad de la banda Raman (a ~ 1520 cm ⁻¹ ) para 4H-SiC [21].

Debido a la diferencia de conductividad térmica, la potencia de calentamiento Joule en la superficie de contacto de los electrodos de SiC y Mo escaparía más rápido. En ese caso, el centro del sustrato obtendría la temperatura más alta durante el proceso JHD, mientras que si el punto estuviera más cerca de los electrodos de Mo, la temperatura de calentamiento sería más baja. Por lo tanto, se utilizó espectroscopía Raman para caracterizar el MLG de diferentes puntos (como se muestra en el recuadro de la Fig. 1a) en la muestra preparada en la DC de 3,24 A, y los resultados se muestran en la Fig. 1d. Las distancias son de unos 3 mm entre las posiciones C y B, y de unos 6 mm entre las posiciones B y A. Los espectros Raman de A y B mostraron un valor bastante bajo de I _D / Yo _G , junto con bandas 2D simétricas, lo que indica pocos defectos. El apenas cambio de yo _G / Yo _2D y yo _SiC / Yo _G También demostró un número de MLG de capa similar entre estas dos posiciones. Además, ningún cambio Raman claro de la banda G y 2D también demostró la homogeneidad de MLG. Por lo tanto, podríamos sintetizar un área de ~ 12 × 5 mm ² MLG con buena uniformidad de capas de grafeno por el método JHD.

Para estudiar más a fondo la uniformidad del MLG, la Fig. 2a ilustra la imagen óptica de la muestra caracterizada desde el área A en el recuadro de la Fig. 1a. En la Fig. 2a se muestra que la mayor parte del contraste de color de la superficie era bastante uniforme excepto por algunos puntos oscuros. Encontramos que estos puntos oscuros tenían la mayor intensidad de banda 2D, como se muestra en el mapeo Raman de la Fig. 2b. La Figura 2c demostró los espectros Raman del área correspondiente marcada en círculos en la Figura 2b con un color diferente. También mostró que la intensidad de las bandas G y 2D de los puntos oscuros (círculo negro) eran mucho más altas que en la otra área. Además, la posición máxima de las bandas G y 2D se desplazó ligeramente hacia el rojo. La hipótesis era que la formación de grafeno preferiría sitios de dislocaciones de tornillos u otros defectos (los puntos oscuros en nuestro trabajo) en la superficie del SiC [23], y la velocidad de descomposición del SiC, así como el crecimiento del grafeno, sería más rápido que la otra área. La Figura 2d demostró el ancho completo a la mitad del máximo (FWHM) de la banda 2D, que era bastante uniforme excepto en las regiones donde estaban presentes defectos de SiC.

un Imagen óptica de la muestra MLG que se preparó a 3,24 A durante 5 min y se caracterizó desde el centro. b Mapeo Raman para la intensidad de la banda 2D del área marcada en un cuadrado punteado en a . c Los espectros Raman de los círculos marcados en b . d Mapeo Raman para el FWHM de banda 2D

Para investigar el número de capas del grafeno que preparamos a ~ 1470 ° C durante 5 min, usamos AFM para caracterizar la muestra MLG después del grabado ICP, como se muestra en la Fig. 3a. Grabado con O ₂ , había una terraza entre MLG y la parte grabada. El recuadro en la Fig. 3a también demostró la diferencia de contraste, mientras que la parte clara estaba sin grabar y la parte oscura estaba grabada. Y los perfiles de altura de la terraza en diferentes posiciones en la imagen AFM se ilustraron en la Fig. 3b. Para confirmar aún más la existencia de grafeno después del grabado, se tomaron espectros Raman en los puntos con y sin grabado con ICP, como se muestra en la Fig. 3c. Las bandas D, G o 2D no obvias demostraron que el grafeno se había eliminado por completo. Luego medimos la diferencia de altura promedio entre el MLG y la parte grabada según los perfiles de altura, y el valor fue ~ 15,46 nm, lo que significa que el número de capas de grafeno fue ~ 45 (el espaciado entre capas fue ~ 0,34 nm) [24]. Además, el valor de la raíz cuadrada media (RMS) aumentó de 0,84 a 2,79 nm después del grabado con ICP, lo que podría deberse a la diferencia de velocidad de descomposición del SiC causada por los defectos y, por lo tanto, generar una superficie rugosa de SiC después del crecimiento de grafeno.

un Imagen AFM de MLG con medio grabado por ICP-grabado que fue tomada en el cuadrado rojo del recuadro. El recuadro era la imagen de la muestra de MLG y la parte de luz estaba cubierta por MLG. La MLG se sintetizó a 1470 ° C durante 5 min. b Perfiles de altura de la terraza en diferentes posiciones en la imagen AFM. La altura media de la terraza es de ~ 15,46 nm. c Espectros Raman de la muestra en a , los espectros rojo y negro correspondían a la muestra antes y después del grabado

Luego investigamos las propiedades eléctricas del MLG (sintetizado a ~ 1470 ° C durante 5 min). A temperatura ambiente, medimos las propiedades IV de los electrodos de Au adyacentes del LTLM, como se muestra en la Fig. 4a. Según las ecuaciones [25],

un Las propiedades IV del contacto Au-grafeno-Au. El recuadro es el diagrama esquemático de LTLM. b El ajuste lineal de la resistencia de contacto total del contacto Au ohmico en función de la distancia de las almohadillas de contacto de 5 a 20 μm

Mientras R _T es la resistencia total, ρ _s es la resistencia de la hoja, R _C es la resistencia de contacto, ρ _c es la resistencia de contacto específica, Z es el ancho del MLG (40 μm), d es el espacio entre los electrodos de Au (5, 10, 15 y 20 μm, respectivamente) y L _T es la longitud de la línea de transmisión de electricidad. Mediante el ajuste lineal de los datos experimentales, como se muestra en la Fig. 4b, podríamos obtener R _C y L _T . Según las Ecs. (1) y (2), ρ _s y ρ _c se calcularon en 52,36 Ω / sq y 5,03 × 10 ⁻⁵ Ω cm ² , respectivamente.

Conclusiones

En resumen, un método JHD conveniente mediante la aplicación de alimentación de CC en SiC en el vacío (~ 10 ⁻⁶ Torr) fue desarrollado para cultivar grafeno epitaxial multicapa directamente sobre sustrato 4H-SiC (0001). Al optimizar las condiciones de crecimiento, se pudo obtener MLG de área grande (12 mm × 5 mm) y con defectos bajos con una buena homogeneidad calentando SiC a ~ 1470 ° C durante 5 min, ya que la espectroscopía Raman mostró el I más bajo. _D / Yo _G . El resultado de AFM ilustró que el MLG tenía ~ 45 capas de espesor. El MLG también demostró un buen contacto óhmico con el electrodo de Au. En nuestros trabajos posteriores, JHD seleccionará SiC epitaxial sobre el sustrato de SiC para el crecimiento de MLG. Además, el bajo defecto de la capa epitaxial de SiC sería otra ventaja para preparar MLG con alta homogeneidad y calidad. Además, el método de control de confinamiento, como la introducción de un gas inerte, se empleará en el crecimiento de JHD para ajustar la tasa de crecimiento, mejorar la calidad y obtener una mayor homogeneidad. El grafeno producido por el método JHD podría ser prometedor en las aplicaciones de dispositivos fotoelectrónicos basados ​​en SiC en el futuro.

Abreviaturas

AFM:

Microscopio de fuerza atómica

Al:

Aluminio

C:

Carbono

CVD:

Deposición de vapor químico

DC:

Corriente continua

EG:

Grafeno epitaxial

FWHM:

Ancho completo a la mitad del máximo

ICP:

Plasma acoplado inductivamente

I _X :

Intensidad de la banda X

JHD:

Descomposición por calor en julios

LTLM:

Método de línea de transmisión lineal

MCG:

Grafeno de escisión micromecánica

MLG:

Grafeno multicapa

Mo:

Molibdeno

SiC:

Carburo de silicio

Proceso de deposición y propiedades de recubrimientos compuestos de Ni-P-Al2O3 sin electrodos en una aleación de magnesio Propiedades eléctricas de superredes de onda media y onda larga InAs / GaSb cultivadas en sustratos de GaAs mediante epitaxia de haz molecular