对于现代石墨烯器件的制造,在晶片规模上均匀生长高质量单层石墨烯是重要的。本工作报道了通过化学气相沉积和生长过程的DFT分析在半导体8英寸Ge(110)/Si晶片上生长大规模石墨烯。良好的石墨烯质量由拉曼2D带的小FWHM(32 cm
–1)、拉曼D和G带的低强度比(0.06)以及均匀的SEM图像表示,并通过霍尔测量得到证实:高迁移率(2700 cm
2/Vs)和低薄层电阻(800Ω/sq)。与Ge(001)相反,Ge(110)在生长过程中不进行表面处理。我们认为,Ge(001)的粗糙化是由于钉扎台阶处的空位积累、键合的石墨烯边缘在(107)面上的容易运动以及通过表面邻域扩展Ge区域的低能量成本造成的,但在Ge(110)上,由于不同的表面几何形状和复杂的重建,这些机制不起作用。
图1.(a) XPS C1s和(b)在Ge(110)上生长的石墨烯的拉曼光谱。
图2:石墨烯的拉曼研究(a)I
D/I
G比的直方图,(b)2D带FWHM的微拉曼图,(c)2D-FWHM的直方图,以及(d)2D与G峰位置的关系。
图3.(a,b)石墨烯/Ge(110)的SEM和AFM显微照片。(c,d)石墨烯/Ge(001)的SEM和AFM显微照片。
图4.石墨烯从Ge(110)转移到SiO
2上。(a) SEM图像。(b) 拉曼光谱。(c) 霍尔条形结构的光学图像。
图5.Ge(001)和Ge(110)表面及其重建。虚线表示截断体的基元1×1细胞。截短体的原子以深褐色表示;雾用于深度提示。(a) 未重构的Ge(001)1×1.(b) 未重构的Ge(110)1×1.(c) 二聚Ge(001)p2×2.(d) Ge(110)“8×10”,具有吸附原子(蓝色)和吸附原子团簇:二聚体(绿色)和五聚体(红色)。单吸附原子和吸附原子二聚体降低了悬挂键密度;吸附原子五聚体保持低的表面应变。
图6.未应变石墨烯在Ge(001)上的膨胀和小平面的形成。Ge–C键中的原子被放大;Ge(001)畴为红色和蓝色。(a) 石墨烯指状物在锗二聚体行上爬行。(b) 石墨烯在850°C下从10mbarCH
4中生长后,刻面和非刻面区域之间边界的STM图像。(c)连接也与二聚体空位(蓝色)键合,因此爬行继续穿过单原子台阶到达较低的阶地,即Ge(001)的另一个结构域。(d) 石墨烯边缘结合到Ge(107)。
图7.石墨烯与锗上的直台阶结合,俯视图中使用雾作为深度排队。在Ge(110)台阶上属于Ge之字形的原子是褐色的(图a和b);两个Ge(001)畴的原子是红色和蓝色(图b和c);来自连接到Ge原子的环的C原子是黑色的;参与Ge–C键的原子增大;而在剩下的原子中,只显示了它们的键。(a) Ge原子在Ge(110)的[1õ10]Ge之字形台阶上。(b) 石墨烯键合到Ge(110)上,(c)键合到锗(001)上的S
B台阶,以及(d)键合在锗(001)上的S
A台阶。
图8.控制Ge(110)和Ge(001)对石墨烯生长的响应的因素。
相关研究成果由莱布尼茨创新微电子研究所Fatima Akhtarh和Mindaugas Lukosius等人2023年发表在ACS Applied Materials & Interfaces (https://doi.org/10.1021/acsami.3c05860)上。原文:Chemical Vapor Deposition Growth of Graphene on 200 mm Ge(110)/Si Wafers and Ab Initio Analysis of Differences in Growth Mechanisms on Ge(110) and Ge(001)。
转自《石墨烯研究》公众号