Графен (graphene)

Методы получения. Термическое разложение SiC

В качестве исходного материала использовались пластины 6H-SiC(0001) с высокой степенью ориентации. Перед процедурой термообработки образцы в течение 15 мин подвергались травлению в водороде при атмосферном давлении и Т= 1550 °С для удаления остатков шлифовального материала с поверхности. Синтез графена проводился в вертикально ориентированной кварцевой трубе с двойными стенками и водяным охлаждением, через которую медленно прокачивался аргон. Повышение температуры до номинального значения производилось со скоростью 2-3 °С с-1; с такой же скоростью происходило охлаждение камеры по окончании процедуры синтеза.

Графен (graphene)

Методы получения. Термическое разложение SiC

Синтез проводился либо в условиях вакуума, либо при давлении аргона в диапазоне 10-900 мбар; типичная длительность синтеза и температура – 15 мин и 1500-2000 °С. В результате травления водородом исходная поверхность пластины 6H-SiC(0001) распадается на плоские продольные террасы шириной от 300 до 700 нм, которые обладают высокой степенью однородности. Направление и ширина террас определяются случайной ориентацией поверхности подложки относительно кристаллографической плоскости (0001). Характерная высота террас составляет 1,5 нм, что

соответствует размеру единичной ячейки кристалла 6H-SiC в направлении, перпендикулярном поверхности подложки. Длина террас может превышать 50 мкм. В результате проведения вакуумной термообработки с целью синтеза графена поверхность подложки существенно изменяется; на ней возникают ямки глубиной до 10 нм, а исходные террасы становятся едва различимыми.

Графен (graphene)

Методы получения. Термическое разложение SiC

Графеновые плёнки неоднородны по толщине: участки размером в несколько сотен нанометров, покрытые однослойными графеновыми плёнками, перемежаются с областями, заполненными графеновыми структурами из двух и более слоев, а также с участками, не содержащими графена вовсе.

Графен (graphene)

Методы получения. Термическое разложение SiC

В отличие от вакуумных условий синтеза, не обеспечивающих высокое качество графена, термическая

обработка SiC в атмосфере аргона (900 мбар) позволяла получать плёнки с улучшенной морфологией поверхности. Более высокое качество образцов графена, а также больший поперечный размер образцов, синтезируемых в атмосфере аргона, по сравнению с условиями вакуума, обусловлены возможностью проводить в атмосфере аргона синтез при существенно более высокой температуре (1500 °С вместо 1200 °С в условиях вакуума). Использование повышенных температур способствует синтезу графена с более высокой поверхностной однородностью, поскольку рост температуры сопровождается экспоненциальным ростом скорости диффузии дефектов и, в конечном итоге, открывает возможность для "самозалечивания" дефектов.

Графен (graphene)

Методы получения. Термическое разложение SiC

Графен (graphene)

Методы получения. Эпитаксиальное выращивание на металлической поверхности

Наряду с монокристаллами SiC, в качестве подложки для эпитаксиального роста графена успешно используются также поверхности металлов с хорошо упорядоченной кристаллической структурой. Одним из возможных вариантов подложки выступает поверхность рутения Ru(0001). Послойный рост графена большой площади на

поверхности Ru(0001) возможен из-за возрастающей температурной зависимость растворимости углерода в переходных металлах.

Графен (graphene)

Методы получения. Эпитаксиальное выращивание на металлической поверхности

При высоких температурах (порядка 1150°С), когда растворимость углерода достаточно велика, металлический образец насыщается по объёму углеродом. Медленное охлаждение образца до ~ 825 °С приводит к примерно шестикратному снижению растворимости, в результате чего происходит выделение избыточного углерода на поверхности металла. Поверхность покрывается обширными (размером более 100 мкм) островками плёнки из однослойных эпитаксиальных графеновых листов. Аналогичная структура присуща также образцам графена,

полученным на поверхности иридия Ir.

Графен (graphene)

Методы получения. Эпитаксиальное выращивание на металлической поверхности

Указанный размер графеновых листов (свыше 100 мкм) существенно превышает значения, достигнутые ранее при эпитаксиальном росте на поверхности 4H-SiC(0001) (менее 1 мкм). По достижении однослойными графеновыми листами поперечных размеров порядка 100 мкм на поверхности этих структур происходит интенсивное образование второго слоя. При этом на поверхности наблюдаются одновременно как однослойные, так и двухслойные листы графена.

Графен (graphene)

Легирование

Обычно моно и многослойный графен, легированный N, получают с помощью CVD, используя пиридин в качестве источника как углерода, так и азота, и медь в качестве подложки. Возможно легирование исходного графена (оксида графена), применяя NH3.