Epitaxiell grafentillväxt på kiselkarbid
Epitaxiell grafentillväxt på kiselkarbid (SiC) genom termisk nedbrytning är en metod för att producera storskalig fålagersgrafen (FLG). Grafen är ett av de mest lovande nanomaterialen för framtiden på grund av dess olika egenskaper, som stark styvhet och hög elektrisk och termisk ledningsförmåga . Ändå är reproducerbar produktion av grafen svår, därför har många olika tekniker utvecklats. Den största fördelen med epitaxiell grafentillväxt på kiselkarbid jämfört med andra tekniker är att erhålla grafenskikt direkt på ett halvledande eller halvisolerande substrat som är kommersiellt tillgängligt.
Historia
Den termiska nedbrytningen av SiC i bulk rapporterades första gången 1965 av Badami. Han glödgade SiC i vakuum till cirka 2180 ° C i en timme för att erhålla ett grafitgitter . År 1975, Bommel et al. uppnåddes sedan för att bilda enskiktsgrafit på C-ytan såväl som Si-ytan av hexagonal SiC. Experimentet utfördes under UHV med en temperatur på 800 °C och tips för en grafenstruktur kunde hittas i LEED -mönster och förändringen i kol Auger-toppen från en karbidkaraktär till en grafitkaraktär. Nya insikter i grafens elektroniska och fysikaliska egenskaper som laddningsbärarnas Dirac-karaktär, halvheltals kvant-Hall-effekt eller observationen av 2D-elektrongasens beteende mättes först på flerskiktsgrafen från de Heer et al. vid Georgia Institute of Technology 2004. Ändå tilldelades Nobelpriset i fysik ″för banbrytande experiment med det tvådimensionella materialet grafen″ 2010 till Andre Geim och Konstantin Novoselov . Ett officiellt onlinedokument från Kungliga Vetenskapsakademien om denna utmärkelse blev under eld. Walter de Heer nämner flera invändningar mot Geims och Novoselovs arbete som tydligen har mätt på flerskiktsgrafen, även kallad grafit, som har olika elektroniska och mekaniska egenskaper. Emtsev et al. förbättrade hela proceduren 2009 genom att härda SiC-proverna vid höga temperaturer över 1650 °C i en argonmiljö för att erhålla morfologiskt överlägsen grafen.
Bearbeta
Den bakomliggande processen är desorption av atomer från en glödgad yta, i detta fall ett SiC-prov. På grund av det faktum att kolets ångtryck är försumbart jämfört med det för kisel , desorberar Si-atomerna vid höga temperaturer och lämnar efter sig kolatomerna som bildar grafitskikt, även kallat fålagersgrafen (FLG) . Olika uppvärmningsmekanismer som e-beam uppvärmning eller resistiv uppvärmning leder till samma resultat. Uppvärmningsprocessen sker i vakuum för att undvika kontaminering. Ungefär tre dubbelskikt av SiC är nödvändiga för att frigöra tillräckligt med kolatomer som behövs för bildandet av ett grafenlager. Detta antal kan beräknas utifrån molartätheterna. Dagens utmaning är att förbättra denna process för industriell tillverkning. Den hittills erhållna FLG har en ojämn tjockleksfördelning vilket leder till olika elektroniska egenskaper. På grund av detta finns det ett behov av att odla enhetlig storarea FLG med önskad tjocklek på ett reproducerbart sätt. Dessutom är effekten av SiC-substratet på de fysikaliska egenskaperna hos FLG inte helt klarlagd ännu.
Den termiska nedbrytningsprocessen av SiC i högt / ultrahögt vakuum fungerar bra och verkar lovande för storskalig produktion av enheter på grafenbasis. Men ändå finns det några problem som måste lösas. Med denna teknik består den resulterande grafenen av små korn med varierande tjocklek (30–200 nm). Dessa korn uppstår på grund av morfologiska förändringar av SiC-ytan under höga temperaturer. Å andra sidan, vid relativt låga temperaturer, uppstår dålig kvalitet på grund av den höga sublimeringshastigheten .
Tillväxtproceduren förbättrades till en mer kontrollerbar teknik genom att glödga SiC-proverna vid höga temperaturer över 1650 °C i en argonmiljö. De desorberade kiselatomerna från ytan kolliderar med argonatomerna och några få reflekteras tillbaka till ytan. Detta leder till en minskning av Si-avdunstningshastigheten. Genom att utföra experimentet under höga temperaturer förbättras ytdiffusion ytterligare . Detta leder till en omstrukturering av ytan som fullbordas före bildandet av grafenskiktet. Som en ytterligare fördel är grafendomänerna större i storlek än i den initiala processen (3 x 50 μm 2 ) upp till 50 x 50 μm 2 .
Naturligtvis genomgår tekniken alltid förändringar för att förbättra grafenkvaliteten. En av dem är den så kallade confinement controlled sublimation (CCS)-metoden. Här placeras SiC-provet i en grafithölje utrustad med en liten läcka. Genom att kontrollera kislets avdunstning genom denna läcka är en reglering av grafentillväxthastigheten möjlig. Därför erhålls högkvalitativa grafenlager i en nära jämviktsmiljö. Kvaliteten på grafenen kan också kontrolleras genom glödgning i närvaro av ett externt kiselflöde. Genom att använda disilangas kan kiselångtrycket kontrolleras.
Kristallografisk orientering mellan SiC- och grafenskikten
SiC är bipolär och därför kan tillväxten ske på både SiC(0001) (kiselterminerade) eller SiC(000 1 ) (kolterminerade) ytor av 4H-SiC- och 6H-SiC- skivor . De olika ytorna resulterar i olika tillväxthastigheter och elektroniska egenskaper.
Silikonterminerad yta
På SiC(0001)-ytan kan storarea enkristallin monolagergrafen med låg tillväxthastighet odlas. Dessa grafenlager har en bra reproducerbarhet. I det här fallet växer grafenskiktet inte direkt ovanpå substratet utan på ett komplex struktur. Denna struktur är icke-ledande, rik på kol och delvis kovalent bunden till det underliggande SiC-substratet och tillhandahåller därför en mall för efterföljande grafentillväxt och fungerar som ett elektroniskt "buffertlager". Detta buffertskikt bildar ett icke-interagerande gränssnitt med grafenskiktet ovanpå. Därför är monolagergrafen som odlats en SiC(0001) elektroniskt identisk med ett fristående monolager av grafen. Genom att ändra tillväxtparametrarna såsom glödgningstemperatur och tid, kan antalet grafenlager på SiC(0001) kontrolleras. Grafenen bibehåller alltid sitt epitaxiella förhållande till SiC-substratet och den översta grafenen, som härrör från det initiala buffertlagret, är kontinuerlig överallt över substratstegen och över gränsen mellan regioner med olika antal grafenlager.
Buffertskiktet uppvisar inte den inneboende elektroniska strukturen hos grafen men inducerar avsevärd n-dopning i den överliggande monolagergrafenfilmen. Detta är en källa till elektronisk spridning och leder därför till stora problem för framtida applikationer för elektroniska enheter baserade på SiC-stödda grafenstrukturer. Detta buffertskikt kan omvandlas till monolagergrafen genom att koppla det från SiC-substratet med en interkaleringsprocess .
Det är också möjligt att växa utanför axeln på 6H-SiC(0001) wafers. Ouerghi erhöll ett perfekt enhetligt grafenmonoskikt på terrasserna genom att begränsa kiselsublimeringshastigheten med N 2 och kiselflöden i UHV vid en glödgningstemperatur på 1300 °C.
En tillväxt på 3C-SiC(111)-ytan är också möjlig. Därför är glödgningstemperaturer över 1200 °C nödvändiga. Först förlorar SiC kiselatomer och det översta lagret omarrangeras i en SiC struktur. En förlust av ytterligare kiselatomer leder till ett nytt mellanliggande förvrängt steg av SiC som nästan matchar grafenstrukturen (2 x 2). Förlorar de kvarvarande kiselatomerna, utvecklas detta till grafen. De första fyra skikten av kubisk SiC(111) är anordnade i samma ordning som SiC(0001) så resultaten är tillämpliga på båda strukturerna.
Kolavslutat ansikte
Tillväxten på SiC(000 1 )-ytan är mycket snabbare än på SiC(0001)-ytan. Även antalet skikt är högre, runt 5 till 100 skikt och en polykristallin natur uppträder. I tidiga rapporter har områdena med grafentillväxt beskrivits som "öar" eftersom de visas på mikroskopibilder som fickor av grafen på substratytan. Hite et al. upptäckte dock att dessa öar är placerade på en lägre nivå än den omgivande ytan och kallade dem grafentäckta bassänger (GCB). Förslaget är att kristallografiska defekter i substratet fungerar som kärnbildningsställen för dessa GCB. Under tillväxten av grafenskikten sammansmälter GCB med var och en. På grund av deras olika möjliga orienteringar, storlekar och tjocklek, innehåller den resulterande grafenfilmen felorienterade korn med varierande tjocklek. Detta leder till stor orientalisk oordning. Genom att odla grafen på den kolavslutade ytan roteras varje lager mot det föregående med vinklar mellan 0° och 30° i förhållande till substratet. bryts inte symmetrin mellan atomerna i enhetscellen i flera lager och varje lager har de elektroniska egenskaperna hos ett isolerat monolager av grafen.
Utvärdering av antalet grafenlager
För att optimera tillväxtförhållandena är det viktigt att känna till antalet grafenlager. Detta antal kan bestämmas genom att använda de kvantiserade oscillationerna av elektronreflektiviteten. Elektroner har en vågkaraktär. Om de är skjutna på grafenytan kan de reflekteras antingen från grafenytan eller från grafen-SiC-gränssnittet. De reflekterade elektronerna (vågorna) kan störa varandra. Själva elektronreflektiviteten ändras periodiskt som en funktion av den infallande elektronenergin och FLG-tjockleken. Till exempel ger tunnare FLG längre svängningsperioder. Den mest lämpliga tekniken för dessa mätningar är lågenergielektronmikroskopi ( LEEM).
En snabb metod för att utvärdera antalet lager är att använda optiskt mikroskop i kombination med kontrasthöjande tekniker. Enkellagers grafendomäner och substratterrasser kan lösas på ytan av SiC. Metoden är särskilt lämpad för snabb av ytan.
Ansökningar
Dessutom anses epitaxiell grafen på SiC som ett potentiellt material för avancerad elektronik. Det anses överträffa kisel när det gäller nyckelparametrar som funktionsstorlek, hastighet och strömförbrukning och är därför ett av de mest lovande materialen för framtida applikationer.
Mättnadsbar absorbator
Med hjälp av en två-tums 6H-SiC-skiva som substrat kan grafenet som odlats genom termisk nedbrytning användas för att modulera en stor energipulslaser. På grund av dess mättningsbara egenskaper kan grafenen användas som en passiv Q-switcher .
Metrologi
Kvant-Hall-effekten i epitaxiell grafen kan fungera som en praktisk standard för elektriskt motstånd. Potentialen för epitaxiell grafen på SiC för kvantmetrologi har visats sedan 2010, och visar en kvantifieringsnoggrannhet för kvant-Hallresistans på tre delar per miljard i monolager epitaxiell grafen. Under årens lopp har precision av delar per biljon i Hall-resistanskvantiseringen och gigantiska kvanthallplatåer visats. Utvecklingen inom inkapsling och dopning av epitaxiell grafen har lett till kommersialiseringen av kvantresistensstandarder för epitaxiell grafen
Hallsensorer
Övrig
Grafenen på SiC kan också vara en idealisk plattform för strukturerad grafen (transduktorer, membran).
Öppna problem
Begränsningar i form av waferstorlekar, waferkostnader och tillgänglighet av mikrobearbetningsprocesser måste beaktas vid användning av SiC-wafers.
Ett annat problem är direkt kopplat till fördelen. att odla grafen direkt på ett halvledande eller halvisolerande substrat som är kommersiellt tillgängligt. Men det finns ännu ingen perfekt metod för att överföra grafen till andra substrat. För denna applikation är epitaxiell tillväxt på koppar en lovande metod. Kolets löslighet i koppar är extremt låg och därför är främst ytdiffusion och kärnbildning av kolatomer involverade. På grund av detta och tillväxtkinetiken är grafentjockleken begränsad till övervägande ett monolager. Den stora fördelen är att grafenen kan odlas på Cu-folie och sedan överföras till exempelvis SiO 2 .