理论教育 SiC外延法石墨烯的转移技术优化

SiC外延法石墨烯的转移技术优化

时间:2023-06-25 理论教育 版权反馈
【摘要】:以上讨论的都是在铜箔上生长石墨烯的转移方法,在SiC上外延生长石墨烯也是合成大面积石墨烯的一种重要方法。图3-41在SiC基底上外延生长石墨烯的转移方法示意图他们通过Au/PI层和Pd/PI层实现了石墨烯从SiC至SiO2/Si基底的转移。该方法可以实现石墨烯逐层转移,并适合石墨烯的大面积转移,但拉曼光谱表明转移过程中石墨烯形成的缺陷很多。研究发现,金属镍符合以上条件,且与石墨烯之间具有最高的结合能。

SiC外延法石墨烯的转移技术优化

以上讨论的都是在铜箔上生长石墨烯的转移方法,在SiC上外延生长石墨烯也是合成大面积石墨烯的一种重要方法。SiC是绝缘体,某些情况下在SiC上生长的石墨烯可以直接使用。但SiC基底成本很高,通常需要将石墨烯转移到其他目标基底上,而且SiC不容易被化学刻蚀,不能使用传统的湿法刻蚀。Unarunotai等提出一种物理转移方法,成功实现了SiC上石墨烯的转移,操作步骤如图3-41所示。

图3-41 在SiC基底上外延生长石墨烯的转移方法示意图

他们通过Au/PI层和Pd/PI层实现了石墨烯从SiC至SiO2/Si基底的转移。PI和金属层分别通过等离子体反应和化学蚀刻剂去除。该方法可以实现石墨烯逐层转移,并适合石墨烯的大面积转移,但拉曼光谱表明转移过程中石墨烯形成的缺陷很多。

石墨烯器件的性能最终由石墨烯本身的质量决定,而在铜箔上生长的石墨烯经常发生褶皱,且石墨烯晶畴的方向性难以控制。相比之下,碳化硅(001)上通过表面分解生长的石墨烯的晶畴具有单一方向性,但层数很难控制到单层。Kim等提出一种可以得到连续、单层、方向性一致的石墨烯的方法。先通过镍膜的应力将碳化硅上1~2层的石墨烯剥离下来,转移到其他基底上;再经过第二次金薄膜的剥离工序,有选择性地去除多余的石墨烯,就可以得到单层、晶畴一致的石墨烯。该方法中,SiC基底上石墨烯的剥离是由与石墨烯强烈结合的黏接应力层中累积的内部应力引起的。该方法成功的关键是选择合适的满足以下条件的黏接应变材料:① 与碳不发生化学反应且不溶于碳(反之亦然)以保持石墨烯的纯净度;② 与石墨烯间的黏附力强于石墨烯与碳化硅之间;③ 具有高应力来施加应变以分开石墨烯/碳化硅表面。研究发现,金属镍符合以上条件,且与石墨烯之间具有最高的结合能。图3-42显示的是金属镍第一次剥离的步骤示意图和结果分析。(www.daowen.com)

图3-42 SiC上石墨烯转移的过程及结果表征

(a)石墨烯从SiC表面转移到SiO2/Si基底上的示意图;(b)测量不同内应力下石墨烯和SiC表面的结合能;(c)石墨烯自动剥落的临界Ni厚度与沉积在石墨烯上Ni的内应力的函数;(d,e) 从重复使用的SiC晶片上转移的石墨烯的光学显微镜图像;(f)从所得SiC晶片上转移的石墨烯的代表拉曼光谱

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