碳化硅外延石墨烯的制备及其物性研究

admin · 发表于 2024-1-21 19:21:05

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当以硅基半导体为主体的微电子学逐渐达到理论极限之时，纳米电子学走入了人们的视野。于此同时，碳基纳米材料以其优异的电学、力学、热学等性质，作为纳米科学的一个领域，成为近几十年来研究的热点。继1985年富勒烯被发现之后，碳纳米管（CNT）的发现掀起了碳基纳米材料研究的又一个热潮。以碳原子的SP2键结合而成的CNT具有很高的机械强度；同时在电学性质上来看它既可以是金属，又可以是半导体，因此被认为很有希望应用于新一代的纳米集成电路。但要将CNT提纯使其只具有一种电学性质，在技术上依旧是一个难题。正当人们为突破CNT的瓶颈而一筹莫展时，又一新型碳纳米材料问世了，这就是石墨烯，2010年诺贝尔物理学奖的“得主”。石墨烯同样是由SP2杂化的碳原子组成的二维六方网格状结构, 是其它石墨碳材料的结构基础。由于石墨烯结构上的高对称性以及原子尺度的厚度，又使得其具有很多新奇的性能，例如，高的载流子迁移率，高的载流子浓度，室温下的弹道运输效应和室温下的量子霍尔效应等等。因此，石墨烯被认为是可以替代硅的新一代半导体，具有很大的研究价值和应用潜力。目前，在众多石墨烯的制备方法中，过渡族金属催化外延和碳化硅热分解法已经可以大面积制备石墨烯，可以认为是最有潜力实现石墨烯应用的方法，但制备出的石墨烯的质量还有待提高。碳化硅热分解法制备的石墨烯无需衬底转移，其电子学器件工艺与现有集成电路技术兼容，是石墨烯器件应用最有希望的方向。因此，本论文的研究内容就是基于碳化硅热分解法制备大面积、高质量的石墨烯，并对其物理性质进行研究。在本论文中主要讨论了两种环境下石墨烯的生长：无碳和富碳环境。在无碳环境下，即传统的氩气压力下的碳化硅热分解法，石墨烯主要以岛状生长并且受到台阶的限制，很难得到大面积的石墨烯。但通过向生长环境中引入碳源并加以氢气辅助时，石墨烯的生长克服了上面的两个缺点，从而得到可跨越台阶生长的大面积、高质量石墨烯。此种生长方式我们称之为补偿式生长。同时，我们对利用补偿式生长的层数为偶数的石墨烯进行拉曼表征发现了拉曼G声子模的劈裂。这一现象的发现为偶数层、大面积、高质量石墨烯的表征提供了一个快速、无损、准确的检测方法。此外，由于碳化硅衬底表面的平整度对石墨烯的生长来说是至关重要的，因此，本论文也将对碳化硅表面的预处理进行详细的讨论。

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