多維度石墨烯生長機(jī)理探究5.31

1、多維度石墨烯生長機(jī)理探究第一章 相關(guān)概述石墨烯是由單層sp2 雜化碳原子組成的六方點(diǎn)陣蜂窩狀二維結(jié)構(gòu)，包含兩個(gè)等價(jià)的子晶格A和B。它的單層厚度為0.35 nm，C-C 鍵長為0.142 nm，其獨(dú)特的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)使之具有不同于其它材料的優(yōu)良性能。石墨烯是一種零帶隙半導(dǎo)體材料，超高的載流子遷移率，是商用Si材料遷移率的140倍，達(dá)到200000cm2/V×s，高于目前已知的任何半導(dǎo)體材料。在典型的100nm通道晶體管中，載流子在源和漏之間傳輸只需要0.1ps，因此可應(yīng)用于超高頻器件，為提供一種擴(kuò)展HEMT頻率到THz成為可能。在石墨烯上，整流柵電極可以相隔幾納米放置，這樣溝道更短而且傳輸更

2、快。導(dǎo)熱性能優(yōu)良，熱導(dǎo)率是金剛石的3倍，達(dá)到5000 W/m×K；超大的比表面積，達(dá)到2630m2/g；此外，它非常堅(jiān)硬，強(qiáng)度是鋼的100多倍，達(dá)到130 GPa。研究人員甚至將石墨烯看作是硅的替代品，能用來生產(chǎn)未來的超級(jí)計(jì)算機(jī)。材料熱導(dǎo)率(W/cmK)電子遷移率(cm2/Vs)飽和電子漂移速度(×107cm/s)Si1.512001.0InP0.684600SiC4.96002.0GaN1.515002.7Graphene5020000010有關(guān)專家認(rèn)為，石墨烯很可能首先應(yīng)用于高頻領(lǐng)域，是超高功率元器件的潛質(zhì)材料。石墨烯特殊的結(jié)構(gòu)，使其具有完美的量子隧道效應(yīng)、半整數(shù)的量子

3、霍爾效應(yīng)、從不消失的電導(dǎo)率等一系列性質(zhì)，引起了科學(xué)界巨大興趣，掀起了一股研究的熱潮。安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫因其在石墨烯二維材料方面的原創(chuàng)性杰出工作被授予2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。石墨烯和主要半導(dǎo)體材料的遷移率盡管長期以來物理學(xué)界普遍認(rèn)為嚴(yán)格的 2D晶體在自由狀態(tài)下不可能存在 （熱擾動(dòng)使原子在第三個(gè)維度上的漲落大于晶格常量，2D晶體熔化），但是關(guān)于 Graphene的理論工作一直在進(jìn)行。 早在 1947年 P .R.Wallace通過理論計(jì)算給出了 Graphene的能帶結(jié)構(gòu)，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建石墨 (graphite)，獲得了關(guān)于晶格中電子動(dòng)力學(xué)信息，預(yù)言了 Gr

4、aphene中相對(duì)論現(xiàn)象的存在。雖然當(dāng)時(shí)人們并不相信二維晶體的存在，但是 Wallace的工作對(duì)于石墨的研究起了引導(dǎo)性的作用。石墨 (graphite)作為一種半金屬性 (semi metal)材料，在布里淵區(qū)邊界能帶發(fā)生交疊，使電子能在層與層之間傳輸，當(dāng) graphite的層數(shù)減少到僅有單層(Graphene)時(shí)，能帶變?yōu)閱吸c(diǎn)交疊的方式 (如下圖（a）所示 )，而且由電子完全占據(jù)的價(jià)帶和由空穴完全占據(jù)的導(dǎo)帶對(duì)于這些交疊點(diǎn) (K和 K )完全對(duì)稱。第二章 實(shí)驗(yàn)儀器和原理簡介本論文的實(shí)驗(yàn)工作主要是在超高真空分子束外延-掃描隧道顯微鏡聯(lián)合系統(tǒng)中進(jìn)行的。下面介紹其工作原理和相關(guān)的輔助設(shè)備。2.1超高

5、真空技術(shù)真空的界定是在給定的空間內(nèi)低于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力的氣體狀態(tài)，我們把這種稀薄的氣體狀態(tài)稱為真空10。真空度的高低通常用氣體壓強(qiáng)來表示。氣體壓強(qiáng)越低，表示真空度越高；氣體壓強(qiáng)越高，真空度就越低。早期用汞柱高度測(cè)量壓強(qiáng)，將760毫米汞柱高規(guī)定為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。第10屆國際計(jì)量大會(huì)采用帕定義標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，規(guī)定：1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（ATM)=101325帕（Pa)。并規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的1/760為1托(Torr)。對(duì)于真空區(qū)域，學(xué)術(shù)界通常按照氣體壓強(qiáng)大小的不同將真空劃分為5個(gè)區(qū)域：普通真空 76010 Torr，低真空 1010-3 Torr，高真空 10-310-8 Torr，超高真空 10-810-1

6、2 Torr，極高真空小于10-12 Torr。圖2.1 (a)典型的超高真空系統(tǒng)示意圖 (b)漏率Q的主要來源圖2.1(a)描述了超高真空系統(tǒng)的模型，主要有腔體和泵組兩部分組成。腔體內(nèi)的真空度P由泵組的抽速S和系統(tǒng)的漏率Q共同決定（P =Q/S）。漏率Q 主要有四種途徑：（1）大氣滲透，主要是較小質(zhì)量（如H2和He）的氣體在腔體內(nèi)外氣壓之下滲透到超高真空中；（2）溶解在儀器體內(nèi)的氣體擴(kuò)散到真空腔體中；（3）腔壁和零部件材料本身的自蒸發(fā)；（4）吸附在腔壁和零部件表面上氣體的熱脫附。實(shí)驗(yàn)是在超高真空(Ultra-high vacuum簡稱UHV)環(huán)境中進(jìn)行的，為了實(shí)現(xiàn)從760Torr的大氣壓力到

7、10-910-11 Torr的超高真空狀態(tài)，需要一個(gè)真空泵組聯(lián)合起來使用才可以實(shí)現(xiàn)，包括機(jī)械泵、渦輪分子泵、濺射離子泵和鈦升華泵。其中，機(jī)械泵和渦輪分子泵屬于抽氣型真空泵，而濺射離子泵和鈦升華泵屬于反應(yīng)型的。機(jī)械泵工作原理是通過一個(gè)偏心的圓柱轉(zhuǎn)子，不斷地把吸入的氣體壓縮后排放出去。它可以直接把系統(tǒng)壓力從大氣狀態(tài)抽到10-4 Torr真空，可以單獨(dú)使用，也可以用作分子泵的的前級(jí)泵。渦輪分子泵是利用高速旋轉(zhuǎn)的葉片將氣體分子排出腔體的真空泵，可工作在10-410-10 Torr的真空下，主要由泵體、帶葉片的轉(zhuǎn)子（即圖2.2 機(jī)械泵(a)實(shí)物圖和(b)原理圖。分子泵(c)實(shí)物圖和(d)結(jié)構(gòu)示意圖。離子

8、泵(e)實(shí)物圖和(f)結(jié)構(gòu)示意圖。(g)鈦升華泵原理圖。(h)真空規(guī)實(shí)物圖和結(jié)構(gòu)示意圖。(i)真空部件，包括真空插板閥、CF觀察窗、銅墊密封圈和電極葉輪）、靜葉輪和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等組成，渦輪分子泵必須在分子流狀態(tài)（氣體分子的平均自由程遠(yuǎn)大于導(dǎo)管截面最大尺寸的流態(tài)）下工作才能顯示出它的優(yōu)越性,因此要求配有機(jī)械泵作為前級(jí)真空泵。渦輪分子泵的優(yōu)點(diǎn)是啟動(dòng)快，能抗各種射線的照射，耐大氣沖擊，無油蒸氣污染或污染很少，能獲得清潔的超高真空。濺射離子泵的工作原理是在陽極和陰極之間加3-7千伏的直流電壓，產(chǎn)生潘寧放電，放出的電子在磁場(chǎng)下做螺旋運(yùn)動(dòng)，與氣體分子發(fā)生碰撞并將氣體電離11。電離后的分子在電場(chǎng)作用下向鈦陰極加

9、速并嵌入鈦陰極版，同時(shí)濺射鈦陰極材料使之吸附在陽極生成一層新鮮的鈦膜繼續(xù)吸附腔體中的離子和分子。濺射離子泵具有無振動(dòng)、無噪音、壽命長、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，可作為真空維持泵（10-610-11 Torr）。鈦升華泵通過給鈦絲加大電流（約45A）使鈦在短時(shí)間內(nèi)升華吸附腔體中的氣體，可以快速提升系統(tǒng)真空度，但是對(duì)甲烷和惰性氣體基本不起作用，一般用作濺射離子泵的輔助泵，如圖2.2所示。系統(tǒng)真空度的測(cè)量一般用熱陰極超高真空電離計(jì)，測(cè)量范圍是10-310-11 Torr。其工作原理是燈絲發(fā)射的熱電子在正高壓的柵極附近運(yùn)動(dòng)，將真空中氣體分子電離，通過收集測(cè)量電離分子的離子流而獲得真空度。2.2 分子束外延技術(shù)分

10、子束外延（Molecular Beam Epitaxy，MBE）是上世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種新的晶體生長技術(shù)2,12。MBE可以在原子尺度上控制高質(zhì)量單晶薄膜和納米材料的制備，并已經(jīng)被廣泛地運(yùn)用于科學(xué)研究及器件開發(fā)上。其基本原理是，在超高真空條件下（<10-9 Torr），加熱蒸發(fā)源使具有一定熱能的分子或原子噴射到被加熱的清潔的襯底表面上，經(jīng)表面吸附、遷移、成核或表面反應(yīng)實(shí)現(xiàn)材料的外延生長。分子束外延與其他方法相比，MBE具有如下的優(yōu)點(diǎn)：1) 源和襯底的溫度可分別進(jìn)行加熱與精確控制，生長溫度低，減少了界面處襯底原子、沉積原子的互擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)突變結(jié)，適合生長超晶格、量子阱等特殊材料，同時(shí)還

11、能夠避免高溫產(chǎn)生的熱缺陷，可得到組份均勻和尖銳的層面；2) 生長速率低（0.11nm/s），便于在原子尺度上精確控制薄膜厚度生長超薄材料，有利于生長多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)；3) MBE生長是在非熱平衡條件下進(jìn)行的，是一個(gè)動(dòng)力學(xué)過程，因此可以生長一般熱平衡生長難以得到的晶體；4) 生長過程中，表面處于超高真空中，利用附設(shè)的設(shè)備可以進(jìn)行原位觀測(cè)，分析、研究生長過程、組分、表面狀態(tài)等。我們采用反射式高能電子衍射儀（Real-time Reflection High Energy Electron Diffraction，RHEED）進(jìn)行實(shí)時(shí)原位監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)生長過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，提供表面形貌、生長速率等信息；

12、5) 整個(gè)生長過程在超高真空條件下進(jìn)行，避免了雜質(zhì)的干擾，所以可以得到高純度、高性能的外延薄膜。圖2.3為一個(gè)典型的MBE生長腔的結(jié)構(gòu)示意圖，主要包括蒸發(fā)源爐(Source oven)、束流探測(cè)器(Beam flux detector)、反射式高能電子衍射儀(RHEED)和供測(cè)量襯底溫度的窗口四部分。標(biāo)準(zhǔn)的MBE蒸發(fā)源爐一般為努森擴(kuò)散爐（Knudsen Diffusion Cell，K-cell），如圖2-3(b)。它主要包括：（1）坩鍋；（2）給坩堝加熱用的電阻絲（W 或Ta 絲）；（3）熱屏蔽罩，減小熱輻射引起的損耗；（4）測(cè)量坩鍋溫度的熱偶，通常加上溫控儀,可以精確控制坩堝的升/降溫速率

13、和目標(biāo)溫度；（5）用于安裝源爐的法蘭；（6）源爐前機(jī)控或手控的擋板，用于精確控制束流的蒸發(fā)時(shí)間；（7）循環(huán)水，用于冷卻蒸發(fā)源周圍的溫度，保持蒸發(fā)過程中系統(tǒng)有較好的真空，減少雜質(zhì)的干擾。第三章 6H-SiC(0001)表面外延石墨烯的生長機(jī)制研究3.1 背景介紹3.1.1研究現(xiàn)狀石墨烯是由碳原子緊密堆積成單層二維晶格結(jié)構(gòu)組成的，是非常完美的二維材料。由于其具有奇特的電子結(jié)構(gòu)和眾多獨(dú)特的電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)等物理性能和化學(xué)性能，可望成為高速晶體管、高靈敏度傳感器、激光器、觸摸面板、蓄電池及高效太陽能電池等新一代器件的核心材料。因此備受研究人員和學(xué)者廣泛的關(guān)注。對(duì)于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)石墨烯薄膜的制備尤其重

14、要。很多研究者采用了不同方法進(jìn)行了試驗(yàn)，在第一章中我們對(duì)這些方法作了簡單的介紹。其中，利用熱解SiC外延生長石墨烯的方法因其制備的石墨烯樣品是直接生長在SiC半導(dǎo)體襯底之上，可以利用現(xiàn)有成熟的半導(dǎo)體工業(yè)加工技術(shù)進(jìn)行器件的加工。而且熱解SiC外延生長石墨烯展現(xiàn)出了可控地制備大面積石墨烯的潛力。3.1.2 SiC襯底的結(jié)構(gòu)首先，介紹一下SiC晶體的結(jié)構(gòu)18。SiC有立方相和其它的一些六角多型相，其中最常用的是4H-SiC和6H-SiC襯底，如圖3.1所示，是它們的原胞。產(chǎn)生SiC多型相的原因是Si-C雙原子層的不同堆垛順序，每一Si-C雙原子層包括一層C原子和一層Si原子。4H-SiC的堆垛順序是

15、ABCB，6H-SiC是ABCACB。4H-SiC和6H-SiC原胞的晶格參數(shù)和在表格1中已經(jīng)給出。需要說明的是SiC有兩個(gè)和c軸垂直的極性面。Si終止的SiC(0001)表面(Si面)的每一個(gè)Si原子有一個(gè)未飽和的懸掛鍵，而C終止的表面(C面)則是每個(gè)C原子有一個(gè)未飽和懸掛鍵。表格1 4H-SiC和6H-SiC的結(jié)構(gòu)參數(shù)18SiC的多型相 (Å) (Å)4H-SiC3.080510.08486H-SiC3.081315.1198在SiC表面進(jìn)行升溫，由于懸掛鍵的原因，表面能量不穩(wěn)定，在表面垂直方向形成表面弛豫，而在面內(nèi)原子進(jìn)行重新排列，我們稱之為表面重構(gòu)。升高溫度在SiC

16、表面有幾種典型的重構(gòu)，如，。接下來，我們研究在6H-SiC的Si面上的外延石墨烯的具體生長過程。3.2 SiC外延石墨烯的制備3.2.1 STM針尖的制備和處理圖3.2 (a)電化學(xué)腐蝕方法制備W針尖的裝置示意圖和(b)實(shí)物圖 (c)W針尖的高倍顯微鏡圖像 (d)電子束加熱處理針尖STM針尖的制備方法主要有：電化學(xué)腐蝕法（如W針尖）和機(jī)械成型法（如Pt/Ir合金針尖）。我們實(shí)驗(yàn)時(shí)用的針尖是鎢針尖，用電化學(xué)腐蝕法制得13。圖2.8(a)和(b)分別是用電化學(xué)腐蝕法制備W針尖的裝置示意圖和實(shí)物圖，首先用蒸餾水配制2M/L的的NaOH溶液；其次調(diào)節(jié)裝置：（1）直流電化學(xué)腐蝕法的陽極為針尖，陰極為不銹

17、鋼等材料，為保證陽極針尖的均勻腐蝕，陰極常做成圓環(huán)狀，把陽極放在圓環(huán)的中心處，（2）在腐蝕的過程中陰極上會(huì)出現(xiàn)大量的氣泡，氣泡的攪動(dòng)影響針尖的腐蝕，為避免氣泡的影響，常用陰極圓環(huán)將液面輕輕上拉，（3）留在液面下的鎢絲大約2mm；之后選擇合適的電流電壓進(jìn)行腐蝕（腐蝕過程中切忌不要使裝置振動(dòng)）。腐蝕過程中針尖與液面接觸處最易腐蝕變細(xì)，到達(dá)一定程度后，在電解液中的鎢絲重力作用下，發(fā)生斷裂，留在上面的鎢絲就可用作STM的針尖（圖2.8(c)）。斷裂后的鎢絲迅速從電解液中提起，先用稀鹽酸清洗針尖，再用蒸餾水清洗。由于電化學(xué)腐蝕制備的W針尖在傳入到SIM腔體中，表面存在大氣中的吸附物和氧化膜等雜質(zhì)，所以必

18、須經(jīng)過處理之后才能使用。首先在腔體中進(jìn)行加熱烘烤，除去表面的吸附物，然后利用電子束（E-Beam）加熱的辦法對(duì)針尖進(jìn)行處理，如圖3.2(d)所示。3.2.2除氣本論文的實(shí)驗(yàn)工作是在超高真空分子束外延掃描隧道顯微鏡(UHV-MBE-STM)聯(lián)合系統(tǒng)中進(jìn)行的。將高質(zhì)量的6H-SiC(0001)樣品通過快速進(jìn)樣室傳入到MBE腔中，SiC表面因和大氣有過接觸，表面攜帶了水汽等雜質(zhì)。因此我們?cè)诔哒婵窄h(huán)境中，在400-500條件下進(jìn)行除氣(8小時(shí))。這樣做目的一是為了除去樣品表面的水汽、雜質(zhì)等物理吸附物。二是為下一步進(jìn)行生長的真空環(huán)境做準(zhǔn)備。樣品的加熱都是利用直流電流來實(shí)現(xiàn)的，STM測(cè)量都是在低溫77K

19、（液氦的溫度是77K）下進(jìn)行的。3.2.3 SiC(0001)-3×3 在UHV系統(tǒng)中隔夜除氣進(jìn)行處理SiC樣品表面的吸附物時(shí)，也耗掉了SiC表面的Si元素，為了保持平整，均勻的表面，我們?cè)赟i束流下加熱SiC樣品到900，溫度不能過高以免SiC進(jìn)行分解，用時(shí)十分鐘，便形成3×3重構(gòu)的富Si表面。如圖3.3所示是的示意圖，圖（a）是其1um×1um的二維STM圖，我們可以看到很平直、干凈的表面，非常規(guī)則的臺(tái)階。圖（b）是其三維的原貌圖形，可看到臺(tái)階非常有規(guī)律。圖（c）是20 nm×20 nm的STM掃描圖，我們可以看到很清晰的的原胞，如黑框四邊形所示。因

20、為它的邊長是SiC襯底結(jié)構(gòu)的3倍，因此我們稱之為重構(gòu)。可通過數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，圖（d）是用WsXM數(shù)據(jù)處理軟件在微觀領(lǐng)域繪的圖3.3（c）圖中A點(diǎn)到B點(diǎn)的輪廓曲線，可以計(jì)算出A點(diǎn)到B點(diǎn)的距離為10.3nm，并且二者之中有12個(gè)輪廓，則原胞的邊長為。那么可以得到SiC結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)為，與表格1中6H-SiC的結(jié)構(gòu)參數(shù)0.308nm相比非常接近，因此有這樣的關(guān)系。圖（d）是用反射式高能電子衍射儀（RHEED）照射出的圖形，兩個(gè)主亮點(diǎn)之間又有兩個(gè)小的亮斑點(diǎn)，而且有三個(gè)非常清晰的圓環(huán)，這是從宏觀區(qū)域進(jìn)行分析得到的，與理論上結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)完全一致。從這兩方面的數(shù)據(jù)足以說明我們所得到的就是SiC表面的重構(gòu)。圖3.3 示

21、意圖 圖(a) 900,1m×1m,-3V/0.2nA。圖(b) 3D圖。圖(c) 20 nm×20 nm, -3.5V,0.19nA。圖(d) RHEED照射圖。圖（e）WsXM軟件測(cè)得圖（c）中A到B的輪廓曲線3.2.4 在上一步制得的重構(gòu)表面的基礎(chǔ)之上，然后再在1050退火10分鐘，就可得到表面結(jié)構(gòu)。有研究表明，用不同的處理方法得到的表面結(jié)構(gòu)，它們?cè)谝r底上的堆垛順序不同2。圖3.4 示意圖 圖(a) 1050,1m×1m,-2.2V/0.1nA。圖(b) 3D圖。圖(c) 20 nm x 20 nm, -3.6V,0.18nA。圖(d) RHEED照射圖。圖

22、3.4是的STM圖和RHEED圖。從圖（a）中可以看到原始臺(tái)階開始變亂，并且沿著臺(tái)階邊緣有孔洞出現(xiàn)，遠(yuǎn)離臺(tái)階邊緣處有更多碎小的孔洞出現(xiàn)。圖（c）像是一條一條的線所組成，可以看出結(jié)構(gòu)，但不是很清晰。圖中黑框所示是其原胞，因是SiC襯底結(jié)構(gòu)的3倍，故為重構(gòu)。但習(xí)慣上，我們稱之為是因?yàn)樗膶?duì)角線的長度是邊長的倍，且對(duì)角線和邊長的夾角是300。圖（d）是RHEED照射圖，是宏觀區(qū)域的反映，我們可以看到有三個(gè)主亮點(diǎn)，其中一個(gè)點(diǎn)在中心處，每兩個(gè)主亮點(diǎn)之間又有兩個(gè)小亮點(diǎn)，且只有兩個(gè)圓環(huán)，與理論上的分析完全一致。結(jié)合以上兩方面的數(shù)據(jù)，因此可以肯定我們實(shí)驗(yàn)中掃描出的就是重構(gòu)。3.2.5 在UHV中繼續(xù)加熱到12

23、00，SiC(0001)表面就開始分解：。Si原子從SiC襯底上升華離開表面，剩余的C原子重新組合成鍵形成一個(gè)有序的富C表面。很多研究表明這個(gè)富C的表面是形成石墨烯的先驅(qū)，并且一直存在于外延石墨烯和SiC襯底之間，所以稱為緩沖層(Buffer layer)或者中間層(Interface layer)19。對(duì)于這個(gè)表面結(jié)構(gòu)模型的研究，現(xiàn)在還處在爭論之中，沒有一致的見解。圖3.5 示意圖 圖(a) 1200,1m×1m,-2V/82pA。圖(b) 3D圖。圖(c) 20nm×20nm,-1.8V,0.21nA。圖(d) RHEED照射圖。 如圖3.5（a）所示，SiC臺(tái)階變的更

24、亂，孔洞越來越大。三維形貌圖（b）更能說明孔洞變大了，而且孔洞變的越來越深了，這也能說明升華離開表面的Si原子也越來越多了。圖（c）中黑框是的原胞，它的邊長是SiC襯底結(jié)構(gòu)的6倍，故稱為重構(gòu)。它的對(duì)角線是其邊長的倍，且對(duì)角線和邊長的夾角是300，因此我們稱之為。RHEED照射圖在宏觀區(qū)域上不能很好地說明它就是，有一定的局限性。3.2.6 外延石墨烯上述得到的SiC表面在UHV中繼續(xù)加熱到1300用時(shí)五分鐘就可獲得單層的外延石墨烯薄膜20,21,22,，在某些區(qū)域可能存在雙層或者更多層的石墨烯。如圖3.6所示，在圖（a）中可以看到SiC表面臺(tái)階變的更亂，孔洞變的更大，原始臺(tái)階消失。圖（b）三維形

25、貌顯示孔洞變的更深更大，就像一個(gè)坑一直往下陷一樣。圖（c）中，黑形四邊形是外延石墨烯的原胞，從圖中我們可以看出單層石墨烯是以六角周期的蜂窩狀排列。紅色四邊形是SiC表面的重構(gòu)，明暗相間的條紋是結(jié)構(gòu)與石墨烯所形成的摩爾條紋。圖3.7 外延石墨烯的STM圖 圖（a）1300,1um×1um,-3V/0.12nA 圖（b）對(duì)應(yīng)（a）的3D圖 圖（c）5nm×5nm -1mV/72pA。圖3.7 外延石墨烯的STM圖 圖（a）1300,1m×1m,-3V/0.12nA 圖（b）對(duì)應(yīng)（a）的3D圖 圖（c）5nm×5nm -1mV/72pA。3.3 分析與討論3.

26、3.1 外延石墨烯的生長機(jī)制6H-SiC在經(jīng)過除氣處理過表面的吸附物，又在900Si束流的作用下表面形成了非常平直、規(guī)則的臺(tái)階，臺(tái)階的高度大約是1nm。繼續(xù)升高溫度之后，SiC開始分解，Si升華離開表面，剩下的C原子進(jìn)行重新排列，形成C-C網(wǎng)格狀，最終形成石墨烯23。經(jīng)過計(jì)算測(cè)量，3個(gè)SiC雙層結(jié)構(gòu)中的C原子個(gè)數(shù)恰好形成一層石墨烯，見表格1，6H-SiC的結(jié)構(gòu)參數(shù)Csic是15.1198Å，那么3個(gè)SiC雙層結(jié)構(gòu)是7.5Å。三層重構(gòu)裂解生長成一層石墨烯，如圖3.7所。在溫度達(dá)到12001300時(shí)，在C-rich邊緣的C原子的優(yōu)先分離，在邊緣重組并形成石墨烯。而在下面出現(xiàn)的Si原子會(huì)被釋放，升華離開表面。與此同時(shí)，新的C富界面重組在下方形成新的C富區(qū)域。新的區(qū)域用來為石墨烯提供額外的穩(wěn)定性，使其潛在SiC的相互作用中緩沖，因此，我們稱之為緩沖層。這樣一個(gè)完整的石墨烯初層就形成了，其高于新的中間層2.3Å，低于原來的5.2Å。圖3.7 高度為7.5Å單層石墨烯的生長機(jī)制，其中硅原子由橘色和黃色球標(biāo)出，碳原子由灰黑球表示。3.3.2 山脊結(jié)構(gòu)當(dāng)生長溫度加到13501400時(shí)，外延石墨烯表面就會(huì)出現(xiàn)一些山脊結(jié)構(gòu)，如圖3.8所示，（a）中的山脊結(jié)構(gòu)很清晰漂亮，根據(jù)（b）圖中的