碳化硅外延石墨烯的物理特性研究

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1、囤中国科学院大学UniversityofChineseAcademyofSciences博士学位论文作者姓名：挂羞萱指导教师：睦d：蕴班宜虽学位类别：理堂监±学科专业：搓毽态物堡研究所：虫国型坐院物垄班究丘2013年5月JIllll[1[1llU[1llIlllllJlllllllll[IllllJY2381931StudiesonphysicalpropertiesofepitaxialgrapheneonSiCBy—JingjingLinADissertationSubmittedtoTheUniversityofChineseAcademy

2、ofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofScienceInstituteofPhysics，ChineseAcademyofSciencesMay,2013摘要石墨烯(graphene)是呈六方排列的碳原子组成的具有单原子层厚度的准二维晶体材料。石墨烯表现出独特的线性色散的能带结构以及一系列优异的物理化学属性和新奇的特性，如室温半整数量子霍尔效应、无质量狄拉克费米子的量子输运、超高的载流子迁移率、以及弹道输运等特性，并在柔性显示、生物医药学、超高速纳电

3、子器件等领域展示出独特的应用前景。碳化硅外延石墨烯被广泛认为是实现石墨烯高频器件应用的可行并有效的技术路线之一。然而，目前碳化硅外延石墨烯的性能提升遇到了技术瓶颈，即通过传统碳化硅热分解方法在SIC(0001)(Si面)以及SiC(000i)(C面)得到的外延石墨烯与机械剥离法得到的石墨烯或理想石墨烯在性能上存在较大的差距，从而限制了碳化硅外延石墨烯在高频电子学器件领域的应用进程。因此，研究碳化硅外延石墨烯的各种基本物理特性，对探究影响碳化硅外延石墨烯电学输运性能的关键因素，改进碳化硅外延石墨烯的性能，拓展碳化硅外延石墨烯在电子学器件领域的应用范

4、畴均具有重要意义。本论文针对碳化硅外延石墨烯的非谐声子效应、电学输运性能、结晶取向以及氮掺杂等基本物理特性展开研究，并且取得如下研究结果：第一，利用变温拉曼散射为研究手段，对自由站立的石墨烯薄膜的非谐声子效应进行研究，从而最大限度的摒除衬底的影响，揭示出石墨烯的近本征非谐声子行为，与理论预期的“自由态”石墨烯的非谐声子行为相一致。并基于简化的Klemens模型，对近本征的石墨烯非谐声子效应的物理机制进行分析。结果表明，石墨烯的特征拉曼峰D峰、G峰以及2I)峰的峰位随温度的变化，呈非线性变化关系，并主要由四声子相互作用决定。而G峰半峰宽随温度的变化

5、，与理论预言相反，主要在于理论预言忽略了高阶声子(四声子)相互作用的贡献。G峰半峰宽随温度的变化，主要由三声子相互作用决定，而D峰半峰宽随温度的变化主要由三声子以及四声子相互作用共同决定。但是2D峰半峰宽随温度的变化，呈线性关系，其物理机制需进一步的理论进行解释。第二，通过对于非极性晶面衬底，SiC(1匝O)外延多层以及少层石墨烯的非谐声子效应的研究以及内在物理机制的探讨，发现SiC(1120)衬底对于其外延石墨烯的影响显著小于衬底SiC(0001)的影响，暗示着SiC(1120)与其外延石墨烯之间的相互作用小于SiC(0001)与其外延石墨烯之

6、间的作用。因此，利用SiC(11_O)外延石墨烯制作的电子器件，在有效的调控和优化下，其性能有可能超过SiC(0001)外延石墨烯。这个结果为打破碳化硅外延石墨烯目前的技术瓶颈，提供了一个崭新的研究方向，因此，对于sico匝O)外延石墨烯的相关制备、机制以及性能的研究是重要而有意义的，应该并值得引起广大研究者们的关注。第三，利用氢等离子各向异性刻蚀技术，首次实现三种取向的碳化硅衬底即SiC(0001)，SIC(1120)以及SiC(10-0)上外延石墨烯的本征缺陷的放大以及检测，并且对碳化硅外延石墨烯的本征缺陷的性质，包括缺陷密度以及空间分布等信

7、息进行研究；并以此为基础，深入探讨了上述三种石墨烯中载流子散射的主导机制。研究发现，SiC(1120)衬底上外延石墨烯显示出较弱的缺陷散射和衬底界面散射，从而再一次说明SiC(1120)外延石墨烯或许能展现出比SiC(0001)衬底上外延石墨烯更加优异的性能。第四，利用简化的微加工工艺，在同一晶片衬底上，分别制作了一系列宽度约为50微米，长度大于300微米的全碳石墨烯器件，其中器件分别为沿着台阶以及垂直台阶两种方向，进而研究SIC(1120)外延多层石墨烯的电学各向异性。结果表明，在SIC(1120)衬底上外延石墨烯，由于其特殊的表面褶皱形貌以及

8、与衬底的弱相互作用，从而导致其褶皱散射比台阶边缘散射更加严重，并展现出不同于SiC(0001)外延石墨烯的各向异性电学性能，即沿着衬底台