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萊布尼茨創(chuàng)新微電子研究所Fatima Akhtarh和Mindaugas Lukosius等--石墨烯在200mm Ge(110)/Si晶片上的化學(xué)氣相沉積生長及其生長機(jī)理差異的從頭算分析
       對于現(xiàn)代石墨烯器件的制造,在晶片規(guī)模上均勻生長高質(zhì)量單層石墨烯是重要的。本工作報道了通過化學(xué)氣相沉積和生長過程的DFT分析在半導(dǎo)體8英寸Ge(110)/Si晶片上生長大規(guī)模石墨烯。良好的石墨烯質(zhì)量由拉曼2D帶的小FWHM(32 cm–1)、拉曼D和G帶的低強(qiáng)度比(0.06)以及均勻的SEM圖像表示,并通過霍爾測量得到證實:高遷移率(2700 cm2/Vs)和低薄層電阻(800Ω/sq)。與Ge(001)相反,Ge(110)在生長過程中不進(jìn)行表面處理。我們認(rèn)為,Ge(001)的粗糙化是由于釘扎臺階處的空位積累、鍵合的石墨烯邊緣在(107)面上的容易運動以及通過表面鄰域擴(kuò)展Ge區(qū)域的低能量成本造成的,但在Ge(110)上,由于不同的表面幾何形狀和復(fù)雜的重建,這些機(jī)制不起作用。

 
圖1.(a) XPS C1s和(b)在Ge(110)上生長的石墨烯的拉曼光譜。

 
圖2:石墨烯的拉曼研究(a)ID/IG比的直方圖,(b)2D帶FWHM的微拉曼圖,(c)2D-FWHM的直方圖,以及(d)2D與G峰位置的關(guān)系。

 
圖3.(a,b)石墨烯/Ge(110)的SEM和AFM顯微照片。(c,d)石墨烯/Ge(001)的SEM和AFM顯微照片。

 
圖4.石墨烯從Ge(110)轉(zhuǎn)移到SiO2上。(a) SEM圖像。(b) 拉曼光譜。(c) 霍爾條形結(jié)構(gòu)的光學(xué)圖像。

 
圖5.Ge(001)和Ge(110)表面及其重建。虛線表示截斷體的基元1×1細(xì)胞。截短體的原子以深褐色表示;霧用于深度提示。(a) 未重構(gòu)的Ge(001)1×1.(b) 未重構(gòu)的Ge(110)1×1.(c) 二聚Ge(001)p2×2.(d) Ge(110)“8×10”,具有吸附原子(藍(lán)色)和吸附原子團(tuán)簇:二聚體(綠色)和五聚體(紅色)。單吸附原子和吸附原子二聚體降低了懸掛鍵密度;吸附原子五聚體保持低的表面應(yīng)變。

 
圖6.未應(yīng)變石墨烯在Ge(001)上的膨脹和小平面的形成。Ge–C鍵中的原子被放大;Ge(001)疇為紅色和藍(lán)色。(a) 石墨烯指狀物在鍺二聚體行上爬行。(b) 石墨烯在850°C下從10mbarCH4中生長后,刻面和非刻面區(qū)域之間邊界的STM圖像。(c)連接也與二聚體空位(藍(lán)色)鍵合,因此爬行繼續(xù)穿過單原子臺階到達(dá)較低的階地,即Ge(001)的另一個結(jié)構(gòu)域。(d) 石墨烯邊緣結(jié)合到Ge(107)。

 
圖7.石墨烯與鍺上的直臺階結(jié)合,俯視圖中使用霧作為深度排隊。在Ge(110)臺階上屬于Ge之字形的原子是褐色的(圖a和b);兩個Ge(001)疇的原子是紅色和藍(lán)色(圖b和c);來自連接到Ge原子的環(huán)的C原子是黑色的;參與Ge–C鍵的原子增大;而在剩下的原子中,只顯示了它們的鍵。(a) Ge原子在Ge(110)的[1õ10]Ge之字形臺階上。(b) 石墨烯鍵合到Ge(110)上,(c)鍵合到鍺(001)上的SB臺階,以及(d)鍵合在鍺(001)上的SA臺階。

 
圖8.控制Ge(110)和Ge(001)對石墨烯生長的響應(yīng)的因素。
 
      相關(guān)研究成果由萊布尼茨創(chuàng)新微電子研究所Fatima Akhtarh和Mindaugas Lukosius等人2023年發(fā)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)。

轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
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