Ток через графен

1. R.Murali et al., Appl. Phys. Lett. 94, 243114 (2009).

2. D.L.Nika et al., Phys. Rev. B 79, 155413 (2009).

http://issp.ras.ru/Control/Inform/perst/9_19/perst.htm#O_9_19_15

Получение графенов большой площади в результате термического разложения карбида кремния

Открытие возможности выделения индивидуальных графенов привлекло внимание к этому объекту десятков лабораторий во всем мире. Это связано как с необычными физико-химическими свойствами графенов (рекордная теплопроводность, возможность наблюдения квантового эффекта Холла и перехода от баллистического к диффузионному механизму переноса тепла и заряда и т.п.), так и обусловленным ими значительным потенциалом прикладного использования. Реализация этого потенциала возможна только в результате разработки относительно простых и достаточно эффективных методов получения и идентификации графенов. По этой причине на данной стадии развития исследований в области графенов усилия специалистов направлены на разработку и модификацию таких методов.

Среди множества публикаций подобного рода обращает на себя внимание работа, выполненная большой группой исследователей из университетов Германии и США [1], которым удалось существенно модифицировать разработанный ранее метод синтеза графенов на основе термического разложения карбида кремния. Согласно этому методу, исходным материалом для получения графенов служит монокристаллическая пластина SiC, ориентированная плоскостью (0001). В некоторых экспериментах использовали пластины, легированные азотом и имеющие концентрацию носителей до 2х10¹⁸ см^-3. Графены выращивали в вертикальной водоохлаждаемой кварцевой трубке в потоке аргона, температуру которого повышали либо понижали со скоростью 2-3^оC в секунду. Типичная продолжительность процесса составляла 15 мин. Максимальная температура варьировалась в диапазоне от 1500 до 2000^о C, а давление газа могло составлять от 0,01 до 0,9 атм. Выполненное исследование показало, что использование буферного газа приводит к образованию графенов существенно большей площади, чем в случае вакуумного отжига при тех же температурах. Для определения химического состава графенов и их толщины использовали рентгеновскую фотоионизационную спектроскопию с угловым разрешением. Измерения показали, что даже после выдержки на воздухе в течение часа кислород на поверхности графенов не детектируется (на уровне 1%). Однако, при более длительной выдержке на поверхности графенов сорбируется слой углеводородов и воды, который, можно удалить лишь после отжига при 600^оC в вакууме. Морфология поверхности исследовали с помощью атомного силового микроскопа (АСМ). Для изучения структуры полученных пленок использовали метод, основанный на дифракции медленных электронов. Кроме того, полученные образцы пленок исследовали с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния с пространственным разрешением на уровне 2 мкм.

Исследования показали, что поверхность исходной пластины SiC, подвергнутая травлению водородом, содержит параллельные гладкие террасы шириной 300–700 нм, длиной до 50 мкм и высотой около 1,5 нм. В результате вакуумного отжига по описанной выше программе эта поверхность покрывается островками однослойных графенов поперечником около 10 нм, наряду с которыми наблюдаются также двухслойные графены. При этом сама поверхность подложки становится существенно более шероховатой. В отличие от вакуумных условий, графены, полученные в результате отжига SiC в атмосфере аргона, характеризуются поперечными размерами до сотни мкм и значительно более высокой степенью пространственной однородности.

Для измерения электрических характеристик использовали образцы графенов площадью 100х100 мкм² либо 4х50 мкм². Измерения проводили методом Холла по четырехзондовой схеме с применением Ti/Au контактов. Согласно измерениям, подвижность носителей в образце, полученном в атмосфере аргона, составила около 2000 см² В^-1 с^-1 и около 900 см² В^-1 с^-1 при температурах 27 К и 300 К, соответственно. Подвижность носителей в образцах, полученных в вакууме, в 2–3 раза ниже. Измеренные величины подвижности носителей в несколько раз ниже тех, которые присущи графенам, полученным в результате механического расщепления графита [2, 3]. Концентрация носителей, согласно измерениям, составила величины около 10¹³ см^-3, что примерно вдвое выше чем в работах [2, 3].

Полученные результаты указывают на возможность использования данного метода для получения графенов значительной площади в макроскопических количествах.

А.Елецкий

1. K.V.Emtsev et al., Nature Materials 8, 203 (2009).

2. K.S.Novoselov et al., Nature 438, 197 (2005).

3. Y.B.Zhang et al., Nature 438, 201 (2005).