Інверсія типу носія в квазівільно стоячих графенових дослідженнях локальних електронних та структурних
Предмети
Анотація
Ми досліджуємо місцевий поверхневий потенціал та раманівські характеристики вирощених та ex-situ водневий інтеркальований квазівільно стоячий графен на 4H-SiC (0001), вирощений хімічним осадженням парів. При інтеркаляції транспортні вимірювання виявляють зміну типу носія від n- до p-типу, що супроводжується більш ніж втричі збільшенням рухливості носія до μh ≈ 4540 см 2 В −1 с −1. У місцевому масштабі зондова силова мікроскопія Кельвіна забезпечує повну та детальну карту розподілу поверхневого потенціалу доменів графена різної товщини. Перестановка шарів графену при інтеркалюванні до ( + 1) Продемонстровано LG, де n - кількість шарів графену (LG) перед інтеркаляцією. Це супроводжується значним збільшенням робочої функції графена після інтеркаляції H2, що підтверджує зміну основних носіїв від електронів до дірок. Спектроскопія КРС та картографування підтверджують дослідження поверхневого потенціалу.
Вступ
Графен, напівпровідник із нульовою шириною забороненої зони, що складається з одного шару sp 2-пов'язаних атомів вуглецю, приділяв значну увагу завдяки своїм винятковим електронним та механічним властивостям 1. З його π-діапазоном, що відображає лінійну дисперсію навколо точки Дірака, а його електрони поводяться як безмасові ферміони Дірака 2,3, графен, як прогнозують, буде технологічно важливим матеріалом в посткремнієву еру аналогової високошвидкісної електроніки 4,5 .
Хоча кілька груп досліджували структурні властивості та електронну зонну структуру інтерфенованого H2 графена 7,8,10,12, в даний час не існує спеціальних досліджень, що демонстрували б зміни локальних електронних властивостей (наприклад, поверхневого потенціалу або робочої функції) після інтеркаляція графену. У цій роботі ми представляємо ефекти H2-інтеркаляції на локальні електронні та структурні властивості QFSG. Перевірка кількості шарів графена була досягнута за допомогою спектроскопії КРС та картографування, тоді як детальне зображення поверхневого потенціалу структури шару було побудовано за допомогою частотно-модульованої зондової мікроскопії Кельвіна (FM-KPFM) 31. Дослідження карт поверхневого потенціалу з високою роздільною здатністю за допомогою спектроскопії КРС дало прямі докази подальшого збільшення кількості шарів графена при інтеркаляції (тобто ( + 1) LG, де - кількість шарів графену (LG) перед інтеркаляцією). Це супроводжується значним збільшенням робочої функції при інтеркаляції, що є свідченням зміни типу носія з електронів на дірки з рівнем Фермі, що розсікається по обидві сторони від точки Дірака, як функція інтеркаляції H2.
Результати
Зращений графен як вирощений
На основі ван-дер-пауських вимірювань на вирощеному зразку концентрацію носія та рухливість електронів визначали як e ≈ 1,8 × 10 12 см −2 та μe ≈ 1370 см 2 В −1 с −1 відповідно.
Для дослідження структури шару вирощеного зразка графена використовували спектроскопію КРС та картографування (рис. 1а – в). Карти G-інтенсивності G та 2D-зсуву піків, представлені на рис. 1а, b, відповідно, чітко демонструють дві основні особливості: тераси та краї тераси, покриті графеном різної товщини. Додаткові карти КРС, включаючи інтенсивність, зсув та повну ширину на половину максимуму (FWHM) піків G та 2D, див. Додатковий рис. S1. Три окремі спектри, зроблені на терасах і краях, побудовані на рис. 1в. Короткий зміст раманівського пікового аналізу представлено в таблиці 1. Червоний спектр на рис. 1в був зібраний на терасі зразка графена. Верхня вставка на рис. 1в показує 2D-пік, оснащений єдиним лоренціанським. Поодинокі лоренціанські пристосування та вузька ШІМ 35 см – 14 14 вказують на те, що ділянки, нанесені червоним кольором на карті Рамана (рис. 1b), насправді є 1LG. Цей метод був повторений для зелених зон на краях тераси, де пік G демонструє значне збільшення інтенсивності (рис. 1а, в), а пік 2D ширший, ніж у 1LG (FWHM = 62 см –1). Більше того, 2D-пік на краю тераси зміщується синім кольором (приймаючи положення максимуму загальної посадки) у бік вищих хвильових чисел на
33 см –1 порівняно з 1LG (рис. 1б, в). Цей пік показує типову форму лінії AB 2LG в штабелі і може бути оснащений чотирма лоренціанцями 15,16. Хоча на інтенсивність піку G може впливати кут скручування між двома шарами графена, які не є AB складені 17, 2D-піковий зсув і форма лінії дають кращу інформацію про кількість шарів у цьому конкретному випадку. Репрезентативний спектр, зібраний із синьої області краю тераси, нанесений синім на рис. 1в. Цей синій 2D-пік (
15 см –1 у порівнянні з піками 1LG та 2LG 2D відповідно) набагато ширший (FWHM = 75 см –1), ніж у 1LG та 2LG, можливо, вказуючи на наявність 3LG. У літературі є деякі повідомлення, які свідчать, що поєднання форми лінії графена з 6 лоренціанськими компонентами є ознакою 3LG 18. Однак важливо зазначити, що, хоча наше поєднання 1 і 2LG з одним і чотирма лоренцами, відповідно, чітко показує очікувану форму лінії 1 і 2LG, підгонка 3LG з 6 лоренцами не є цілком виправданою з огляду на просторову роздільна здатність системи. У цьому випадку раманівський сигнал містить внески як 2, так і 3LG. Те саме може бути справедливим для 2LG, оскільки сигнал може потенційно містити внески від 1LG, однак площа 2LG, де був зроблений репрезентативний спектр (рис. 1в), більша за просторову роздільну здатність нашої системи.
Раманівські карти та спектри вирощеного та H2-інтеркальованого графену.
Раманівські карти (10 × 10) мкм 2 пікової інтенсивності G (a і d) та 2D піковий зсув ( і e) для вирощених (a і ) та інтеркальовані (d і e) зразки. Спектри КР, зроблені на терасі та по краях, що показують: (c) для вирощеної вибірки; 1LG, 2LG та 3LG зображені червоними, зеленими та синіми лініями відповідно; (f) для інтеркальованого зразка; 2LG та 3LG зображені зеленими та синіми лініями відповідно. Вставки в (c) та (f) показати вибрані 2D-піки, оснащені лоренціанцями.
Деякі невеликі варіації зсуву 2D піку (
6 см -1) у межах тераси видно на рис. 1б, що робить нерівномірні ділянки
Розміром 1 мкм. Крім того, відхилення зсуву піку G (
4 см -1) були виміряні та представлені на додатковій інформації, рис. S1. Було показано, що в графені на SiC наявність залишкової деформації у вуглецевій решітці може призвести до змін у 2D-зсуві піку 19. Крім того, ці варіації також можуть бути пов'язані з неоднорідностями заряду 20,21. Оскільки 2D-пік у графені безпосередньо пов'язаний з енергією Фермі, на зсув 2D-піка може додатково впливати легування. Зокрема, через відношення лінійної дисперсії 1LG набагато чутливіший до легування, ніж товстіші шари, де дисперсійне відношення є параболічним. У той час як багато груп 15,20,21 використовують положення піків G та 2D як потужну методику для вимірювання концентрації відшаруваного графена на SiO2, використовуючи ці дослідження як посилання для визначення допінгу та неоднорідностей заряду в CVD графена на SiC бути неточними, оскільки взаємодія між графеном і підтримуючим субстратом відрізняється. Таким чином, поєднання деформації і зв’язку носіїв заряду може бути джерелом коливань положень піків 2D та G на терасах 19 .