6H-SiC0001外延石墨烯的生長及表面STM研究資料

1、第一章引言石墨烯（Graphene）是碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的一種碳質(zhì) 新材料，單層厚度只有0.335納米,是構(gòu)建其它維數(shù)碳質(zhì)材料（如零維富勒烯、一維 納米碳管、三維石墨）的基本單元 ，如圖1.1所示。石墨烯獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和載 流子特性，為研究量子電動力學(xué)現(xiàn)象提供了理想的平臺。石墨烯具有優(yōu)異的電學(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，石 墨烯具有重要的理論和實(shí)踐研究價(jià)值。圖1.1富勒烯（左）和碳納米管（中）都可以看作是由單層的石墨烯通過某種方式 卷成的，而石墨（右）是由多層石

2、墨烯通過范德華力的聯(lián)系堆疊成的2004年，英國曼徹斯特大學(xué)研究小組用機(jī)械剝離法制備出了石墨烯。為了表 彰他們對石墨烯研究所做的卓越貢獻(xiàn)，瑞典皇家科學(xué)院將2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予安德烈？海姆和康斯坦丁 ？諾沃肖洛夫兩位科學(xué)家。1.1石墨烯的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)1.1.1石墨烯的電子結(jié)構(gòu)石墨烯是由單層六角元胞碳原子組成的二維蜂窩狀晶體，完美的石墨烯是二 維的,它只包括六角元胞（等角六邊形），如圖1.2所示。每個(gè)碳原子最外層的s電子與兩個(gè)p電子形成sp2軌道雜化2,3，因而每個(gè)碳原子與其最鄰近的三個(gè)碳原子通過鍵相連，鍵間夾角均為120。另一個(gè)p電子軌道長軸與石墨烯所處平面垂直，設(shè)p電子軌道為Pz,與相鄰碳

3、原子的Pz電子形成n鍵 所有的 統(tǒng)在xy平面內(nèi)形成了大ns, 對應(yīng)的電子稱為T!電子。此時(shí)ns為半填滿狀態(tài)，所以電子可在二維晶體內(nèi)自由移 動，賦予石墨烯良好的導(dǎo)電性和其他獨(dú)特的電學(xué)性質(zhì)。圖1.2石墨烯的六角結(jié)構(gòu)1.1.2石墨烯的基本性質(zhì)石墨烯具有一系列優(yōu)異的性能4。由于完美的成分和高度有序的晶格結(jié)構(gòu)，石墨烯表現(xiàn)出異乎尋常的高晶體學(xué)質(zhì)量，在室溫下能很好地保持其二維特性，具有 很高的載流子遷移率,室溫下為20萬cm2/Vs，是硅的100倍，并且受溫度和摻雜效 應(yīng)的影響很小，可以不受晶格缺陷和雜質(zhì)原子的散射來進(jìn)行傳輸，表現(xiàn)出室溫亞 微米尺度的彈道傳輸特性。石墨烯在物理方面的性能5，石墨烯中各碳原子的

4、連接非常柔韌， 具有很好的 伸展性,是目前世界上已知的強(qiáng)度最高的材料， 達(dá)130GP&石墨烯特殊的結(jié)構(gòu)決定 其熱穩(wěn)定性不隨溫度而改變，導(dǎo)熱率最高，導(dǎo)熱系數(shù)為 30005000W/ (mk),是金 剛石的3倍。石墨烯也是目前已知導(dǎo)電性能最出色的材料，其電子的運(yùn)動速度達(dá)到 了光速的1/300,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了電子在一般導(dǎo)體中的運(yùn)動速度。此外，石墨烯還具有 許多優(yōu)異的性能：如較高的楊氏模量(1100GPa ;非常大的比表面積，高達(dá)2630m2/g；半整數(shù)量子霍爾效應(yīng)；可以吸附和解析各種原子和分子等。 這些特殊的 二維結(jié)構(gòu)及其優(yōu)越的性質(zhì)使得石墨烯擁有非常美好的發(fā)展前景。1.2石墨烯的應(yīng)用1.2.1良

5、好的物理實(shí)驗(yàn)平臺石墨烯獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)以及其載流子，為粒子物理中難以觀察到的相對論量子電動力學(xué)效應(yīng)的驗(yàn)證提供了便捷的手段。如瑞典物理學(xué)家Oskar Klein提出的Klein隧穿。Klein隧穿是指對于垂直入射的無質(zhì)量粒子不存在隧穿勢壘，并且在某 些條件下其勢壘穿透率隨能量振蕩。長期以來，即使從原理上人們也不確信這一 極不尋常的量子電動力學(xué)的預(yù)測能否被驗(yàn)證。然而基于石墨烯獨(dú)特的載流子特性， 在2006年安德烈？海姆和康斯坦丁 ？諾沃肖洛夫提出了利用石墨烯驗(yàn)證該理論預(yù) 測的可能性，2009年哥倫比亞大學(xué)的You ng和Kim利用石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn) 證了該理論。再如，一般半導(dǎo)體中電子的能量和動

6、量之間具有二次方關(guān)系，但在 石墨烯中這一關(guān)系卻是線性的，也就是說石墨烯中的電子是標(biāo)準(zhǔn)的狄拉克-費(fèi)米子。這為檢驗(yàn)量子電動力學(xué)提供了一個(gè)簡單的途徑。1.2.2超高速FET及激光器利用石墨烯的高載流子遷移率及高遷移速度制作的 THz頻率的晶體管。理論上 估計(jì)其工作頻率可達(dá)到10THZ。美國IBM公司與韓國三星尖端技術(shù)研究所（SAIT） 分別在2010年12月舉行的半導(dǎo)體制造技術(shù)相關(guān)國際會議上發(fā)布了通道層使用石墨 烯的高速動作型RF電路用FET（電場效應(yīng)晶體管）。IBM的石墨烯FET的最大截止 頻率高達(dá)240GHz。在不久的將來，石墨烯FET勺性能很可能會達(dá)到甚至超過600GHz 以上的化合物半導(dǎo)體H

7、EMT（高電子遷移率晶體管）的同等水平。不過，目前已實(shí)用化的絕大部分石墨烯電場效應(yīng)晶體管為放大器及高靈敏度 氣體傳感器元件等RF電路用FET。邏輯電路用FET還未研制出來，這是因?yàn)閱螌邮?墨烯沒有帶隙，無法充分實(shí)現(xiàn)邏輯電路必須的晶體管“關(guān)斷”功能。但這一問題 正在研究中。石墨烯還能用來制造激光元件。日本東北大學(xué)研究小組，目前正以利用石墨 烯開發(fā)超高輸出功率的超短脈沖激光元件為目標(biāo)進(jìn)行研究。據(jù)該大學(xué)介紹，其關(guān) 注點(diǎn)是，石墨烯采用電子與正孔對稱的能帶構(gòu)造，而且具備容易實(shí)現(xiàn)較大載流子 密度的性質(zhì)。1.2.3透明導(dǎo)電膜石墨烯具有非常高的載流子遷移率和厚度最薄質(zhì)量最輕等優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)檩d流子 遷移率非常高，即

8、便載流子密度較低，導(dǎo)電性也不會下降很多。況且載流子濃度 較低的話，會容易穿過更大波長范圍的光。相當(dāng)于單個(gè)原子的超薄厚度同樣有助 于提高透明性。不僅是可見光，還可透過大部分紅外線。因此，石墨烯是透明導(dǎo) 電膜的最佳選材，明導(dǎo)電膜很可能會作為ITO的替代材料用于商業(yè)化，可用于觸摸面板、柔性液晶面板、太陽能電池及有機(jī)EL照明等。1.2.4其它可能的應(yīng)用除了在超高速FET及激光器和透明導(dǎo)電膜領(lǐng)域的應(yīng)用外，石墨烯在其它領(lǐng)域也有廣闊的應(yīng)用前景，如石墨烯場效應(yīng)晶體管、量子計(jì)算機(jī)、自旋電子學(xué)、化學(xué)/生物傳感器、減少噪聲等2,5,7。1.3石墨烯的制備制備石墨烯的方法有很多，有微機(jī)械剝離法、氧化還原法、化學(xué)氣相沉

9、積法、 加熱SiC分解法、溶劑剝離法、電化學(xué)法、石墨插層法、取向附生法以及由納米 管制造石墨烯帶等7,8,9。下面介紹最為典型的幾種方法：1.3.1微機(jī)械剝離法2004年，英國曼徹斯特大學(xué)研究小組用微機(jī)械剝離法首次從三維的石墨中提 取出了石墨烯材料。他們將石墨分離成較小的碎片，從碎片中剝離出較薄的石墨 薄片，然后用一種特殊的塑料膠帶粘住薄片的兩側(cè)，撕開膠帶，薄片也隨之一分 為二。不斷重復(fù)這一過程，就可以制得了石墨烯。微機(jī)械剝離法可以制備出高質(zhì) 量石墨烯，但存在產(chǎn)率低和成本高的不足，不滿足工業(yè)化和規(guī)?；a(chǎn)的要求， 目前只能作為實(shí)驗(yàn)室科研的需求。1.3.2化學(xué)氣相沉積生長化學(xué)氣相沉積法(Chem

10、ical Vapor Deposition ,CVD)首次在規(guī)模化制備石墨烯 的問題方面有了突破。CVD法是反應(yīng)物質(zhì)在氣態(tài)條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成固態(tài)物 質(zhì)沉積在加熱的固態(tài)基體表面，進(jìn)而制得固體材料的工藝技術(shù)。以鎳基片為襯底， 通入含碳?xì)怏w，例如甲烷，使它在高溫下分解成碳原子沉積在鎳的表面，形成石 墨烯，通過輕微的化學(xué)刻蝕，使石墨烯薄膜和鎳片分離得到石墨烯薄膜。這種方 法優(yōu)點(diǎn)是可以制備出高質(zhì)量大面積的石墨烯，符合工業(yè)化生產(chǎn)的要求。但是，這 樣制備出的石墨烯的質(zhì)量在很大程度上取決于鎳單晶的質(zhì)量，而且成本較高，工 藝復(fù)雜。1.3.3氧化石墨還原法氧化石墨還原法以其簡單易行的工藝成為制備石墨烯的最簡

11、單方法，是將天 然石墨與強(qiáng)酸和強(qiáng)氧化物質(zhì)反應(yīng)生成氧化石墨，經(jīng)過超聲分散制備成氧化石墨烯， 加入還原劑去除氧化石墨表面的含氧基團(tuán)，如羧基、環(huán)氧基和羥基，得到石墨烯。 這樣制成的石墨烯在一定程度上會改變石墨烯樣品在電學(xué)、光學(xué)和力學(xué)上的一些 性質(zhì)，使其應(yīng)用受到一定的限制。1.3.4熱解SiC外延生長通過加熱單晶6H-SiC脫除Si， SiC' SiC。分解后的Si原子從SiC表面升華，留下的C原子重新組合形成石墨烯。其厚度由加熱溫度決定，制備大面積具有單一厚度的石墨烯比較困難。通過對原料碳化硅粒子、裂解溫度、速率以 及氣氛的控制，可以實(shí)現(xiàn)對石墨烯結(jié)構(gòu)和尺寸的調(diào)控。這是一種非常新穎、對 實(shí)現(xiàn)石

12、墨烯的實(shí)際應(yīng)用非常重要的制備方法。在本論文中，我們也采用熱解SiC的方法來制備石墨烯樣品。1.4本論文的研究內(nèi)容為了研究熱解SiC外延生長石墨烯生長機(jī)制，以及表面原子結(jié)構(gòu)及形態(tài)的演 變規(guī)律。本論文首先對石墨烯的研究背景和實(shí)驗(yàn)儀器及原理進(jìn)行了簡單的介紹， 之后對外延石墨烯的制備過程做了細(xì)致的研究，包括SiC表面的一系列重構(gòu)，并對外延石墨烯生長機(jī)理根據(jù)模型作了分析。最后對邊界應(yīng)力山脊的形成進(jìn)行了分 析，并提出了自已的模型和見解。30第二章實(shí)驗(yàn)儀器和原理簡介-掃描隧道顯微鏡聯(lián)合系統(tǒng)本論文的實(shí)驗(yàn)工作主要是在超高真空分子束外延 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超高真空技術(shù)真空的界定是

13、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"白（Pa）。并規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的 1/760為1托（Torr）。對于真空區(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

14、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 JCL透cfo真空腔體f附自枠« Jk 大臨（ b）漏率込的主要來源圖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4Q共同決定（P = QS）。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 v

15、acuum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(

16、d)環(huán)ft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)械泵作為前級真空泵。渦輪分子泵的優(yōu)點(diǎn)是啟動快，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

17、電，放出的 電子在磁場下做螺旋運(yùn)動，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作用下向鈦陰極加速并嵌入鈦陰極版，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、 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)真空度的測量一般用熱陰極超高真空電離計(jì)， 測量范圍是10-310-11 Torr。 其工作原理是燈絲發(fā)射的

18、熱電子在正高壓的柵極附近運(yùn)動，將真空中氣體分子電 離，通過收集測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，MB具有如下的優(yōu)點(diǎn)：1) 源和襯底的溫度可

19、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) MB生長是在非熱平衡條件下進(jìn)行的，是一個(gè)動力學(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，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-timeReflection High Energy

20、 Electron Diffraction， RHEED)進(jìn)行實(shí)時(shí)原位監(jiān)測，實(shí) 現(xiàn)對整個(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；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 (a)MBE生長腔結(jié)構(gòu)示鳶圖(b)MEE源爐(KnudsenCell)的實(shí)物及結(jié)構(gòu)示意圖圖2.3為一個(gè)典型的MB生長腔的結(jié)構(gòu)示意圖，主要包括蒸發(fā)源爐(Sourceoven)、束流探測器(Beam flux detector)、反射式高能電子衍射儀(RHEED和供測量 襯底溫度的窗口四部分。標(biāo)準(zhǔn)的MB蒸發(fā)源爐一般為努森擴(kuò)散爐（Knudsen Diffus

21、ion 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。2.3掃描隧道顯微鏡掃描隧道顯微鏡（Seanning Tunneling Microscope,簡稱為STM）是1982年德國 科學(xué)家GBinnig等人研制出的一種新型表面分析儀2

22、,13。與其它的表面分析技術(shù)相 比，STM具有很高的空間分辨率（橫向分辨率可達(dá) 0.1 nm和縱向分辨率可達(dá) 0.01 nm），可以在實(shí)空間原子尺度上直接探測表面的原子結(jié)構(gòu)和電子態(tài)信息，使人 們真正從原子的角度去研究表面問題。STM的出現(xiàn)是納米科技和表面科學(xué)發(fā)展的一 個(gè)重要里程碑。在STM的基礎(chǔ)之上，如今已發(fā)展起來了一系列掃描探針顯微鏡（SPM），如原子力顯微鏡（AFM）、磁力顯微鏡（MFM）、彈道電子發(fā)射顯微鏡（BEEM）、光子掃 描隧道顯微鏡（PSTM）、掃描電容顯微鏡（ScaM）、掃描近場光學(xué)顯微鏡（SNOM）、 掃描近場聲顯微鏡、掃描近場熱顯微鏡、掃描電化學(xué)顯微鏡等。這些顯微技術(shù)都 是

23、利用探針與樣品的不同相互作用來探測表面或界面在納米尺度表現(xiàn)出的物理性 質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)。2.3.1 STM的基本原理圖2.4隧道效應(yīng)掃描隧道顯微鏡基本工作原理是量子力學(xué)中的隧道效應(yīng)14。如圖2.4所示,由于粒子可以進(jìn)入U(xiǎn)o >E的區(qū)域，若勢能區(qū)域是有限的，則粒子就有可能穿過勢 壘而到達(dá)勢壘的另一側(cè)這一量子力學(xué)現(xiàn)象叫做勢壘穿透或叫隧道效應(yīng)，也就是 說粒子能穿過比它動能更高的勢壘的現(xiàn)象叫隧道效應(yīng)，隧道效應(yīng)是粒子波動性的 直接結(jié)果。掃描隧道顯微鏡是將原子線度的極細(xì)探針和被研究物質(zhì)的表面作為兩個(gè)電 極，當(dāng)樣品與針尖的距離非常接近時(shí)（通常小于1nm），在外加偏壓的作用下，電子會穿過兩個(gè)電極之間的勢壘流

24、向另一個(gè)電極，形成隧道電流，如圖2.5所示，隧道電流I是電子波函數(shù)重疊的量度，反映了樣品表面的局域態(tài)密度 （LDOS），與針 尖和樣品之間距離S和平均功函數(shù) 有關(guān)，隧道電流強(qiáng)度對針尖和樣品之間的距樣品針尖圖2.5STM針尖樣品隧道效應(yīng)示意圖離S有著指數(shù)的依賴關(guān)系，每當(dāng)d增加或減少1?時(shí)，隧穿電流大約變化一個(gè)數(shù)量 級。因此，根據(jù)隧道電流的變化，我們可以得到樣品表面微小的高低起伏變化的 信息，同時(shí)對X、丫方向進(jìn)行掃描，就可以直接得到三維的樣品表面形貌圖。2.3.2 STM的工作模式V92PGSQ響-#£« JfnluHwmzayControl voHancs lor piczo

25、iubcTunnelingDistance controlcurrent amplifier and scanning unitTunneling voltageDta proc*$ing ?nd di等卩I日丫®2.6掃描陵道顯微鏡實(shí)臉設(shè)備示意圖tipheightRpositionC onstant height modeMfBonATW 1Constanf current mode圖2.7 STM的操作模式示意圖：（a）恒定電流模式（b）恒定高度模式STM的結(jié)構(gòu)（圖2.6）主要由振動隔離系統(tǒng)、粗調(diào)定位器、壓電掃描器、和電 子學(xué)控制系統(tǒng)四部分組成。在粗調(diào)定位器作用下將針尖推動到樣品

26、表面接近隧穿 距離（1nm）時(shí)，在偏壓的推動下，產(chǎn)生的隧道電流信號經(jīng)過放大采集到計(jì)算機(jī)中， 同時(shí)發(fā)出一個(gè)反饋信號來調(diào)整針尖的運(yùn)動。通過控制針尖上方的壓電陶瓷掃描器 來實(shí)現(xiàn)針尖的三維運(yùn)動，就可以得到樣品表面電子態(tài)密度和原子形貌的圖像。STM勺工作模式有恒定電流模式和恒定高度模式兩種。圖2.7給出了 STME作模式示意圖。恒定電流模式是用壓電陶瓷管控制針尖在樣品表面進(jìn)行XY二維掃描，利用電子反饋線路控制隧道電流恒定不變，并且通過記錄探針在垂直于樣品表面 方向上的高低變化來反映樣品表面的形貌，此種模式適用于原子尺度上起伏較大 的樣品表面。但是，由于反饋回路的響應(yīng)時(shí)間，掃描速度將受到一定的限制。在 恒

27、定高度模式中，針尖的高度固定不變，記錄隧道電流的變化得到樣品表面形貌。 這種模式的優(yōu)點(diǎn)是反饋回路是斷開的，掃描速度可大幅提升，同時(shí)減少了由于熱 漂移或者壓電材料的滯后效應(yīng)所帶來的影響，但是這種模式只能適用于原子尺度 上比較平整的樣品表面，否則針尖容易損壞。2.4反射式高能電子衍射儀反射式高能電衍射儀（Reflection high energy electron diffraction簡稱RHEED）是 高能電子衍射的一種工作模式15,16,17。它將能量為5100keV的單電子束以1°5° 的掠射角入射到樣品上，電子束的穿透深度非常淺，約2-3層原子深度，因此反射的電子雖

28、具有高能量，但因穿透深度非常淺，反射電子的訊號攜帶有晶體表面的 信息，并呈現(xiàn)在熒光屏上。利用 RHEED可揭示晶體表面第一、第二個(gè)原子層的表PumpingRHEED electron sourceManipulator stagePumptng、Process chamber圖2.8反射式高能電衍射儀的結(jié)構(gòu)圖面結(jié)構(gòu)，并且在研究晶體生長、吸附、表面缺陷等方面取得了很大進(jìn)展，特別是 在分子束外延技術(shù)中,利用RHEED進(jìn)行原位監(jiān)測是一個(gè)重要手段。反射式高能電衍射儀由電子槍部分、制電源部分、電子束光闌、差分抽氣系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制、熒光屏、數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)等幾部分組成，如圖2.8所示。反射式高能電衍射儀

29、的優(yōu)點(diǎn)：1) RHEED入射束和衍射強(qiáng)度大,不易受外界干擾,熒光屏不需加高壓。樣品正面 有較大空間，有利于與分子束外延配合進(jìn)行原位監(jiān)測。2) RHEED采用高能電子，可做成高亮度和細(xì)聚焦束，所得譜線有較高的亮度和銳度，可進(jìn)行精確測量，從而得到有關(guān)結(jié)構(gòu)信息。RHEED方法精確度在數(shù)量級上是LEED的一千倍。3) LEED只能作二維表面分析，而RHEED不僅可作二維，也可作三維分析，可通過 改變掠射角從而改變電子束穿透深度，以獲得沿深度方向的信息。4) 要測定沿倒易桿強(qiáng)度變化，LEED只能以改變電壓來實(shí)現(xiàn)。這將給強(qiáng)度分析帶來 困難。而RHEE是用轉(zhuǎn)動樣品直接測得。5) RHEED不僅限于作表面結(jié)構(gòu)

30、分析,也可用于觀察表面形貌和缺陷。另外,除了 用于單晶外還可用于多晶、孿晶、無定形表面及微粒樣品的表面結(jié)構(gòu)分析。2.5實(shí)驗(yàn)儀器介紹本論文實(shí)驗(yàn)的主要工作是在超高真空低溫掃描隧道顯微鏡與分子束外延生長 聯(lián)合系統(tǒng)(圖2.9)上實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)包括四個(gè)腔室：快速進(jìn)樣室、分子束外延室、 樣品轉(zhuǎn)換室和低溫STM室，各個(gè)腔室之間用閘板閥隔開。樣品處理和生長均在一個(gè)高精度樣品操縱臺上進(jìn)行。圖2.9超高真空低溫掃描隧道顯微鏡與分子束外延生長聯(lián)合系統(tǒng)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

31、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。對于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)石墨烯薄膜的制備尤其重要。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

32、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ABCB，6H-SiC是ABCACB。4H-SiC 和6H-SiC原胞的晶格參數(shù)asc和CSiC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(OOOI)表面(Si面)的每一個(gè)Si原子有一個(gè)未飽和圖3.1Si'Faut的懸掛鍵，而C終止的SiC 0001表面（C面）則是每個(gè)C原子有一個(gè)未飽和懸

33、掛鍵。 表格1 4H-SiC和6H-SiC的結(jié)構(gòu)參數(shù)18SiC的多型相aSiC OaiC4H-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表面有幾種典型的重構(gòu)，如 3 3， ,3, 3R300，6 3 6.3R30。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 STMI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）

34、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/lr 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十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出現(xiàn)大量的氣泡，氣泡的攪動影響 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2m

35、m;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）。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勺針尖（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）加熱的辦法對針尖進(jìn)行處理， 如圖3.2（d）所示。322除氣本論文的實(shí)驗(yàn)工作是在超高真空一分子束外延一掃描隧道顯微鏡

36、（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 此我們在超高真空環(huán)境中，在 400-500C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測量都是在低溫77K （液氦的溫度是77K）下進(jìn)行的。3.2.3 SiC(0001)-3 3 X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，我們在

37、 Si束流下加熱SiC樣品到900C，溫 度不能過高以免SiC進(jìn)行分解，用時(shí)十分鐘，便形成3X3重構(gòu)的富Si表面。如圖3.3所示是SiC 0001 -3 3的示意圖，圖（a）是其1unX1um的二維STM圖, 我們可以看到很平直、干凈的表面，非常規(guī)則的臺階。圖（b）是其三維的原貌圖形，可看到臺階非常有規(guī)律。圖（c）是20 n mX20 nm的STM掃描圖，我們可以看 到很清晰的SiC 0001 -3 3的原胞，如黑框四邊形所示。因?yàn)樗倪呴L是 SiC襯底 結(jié)構(gòu)的3倍，因此我們稱之為3 3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

38、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 b =10.3“ 12 =0.8583nm。那么可以得到SiC結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)為0.8583“ 3 = 0.286nm，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b、3asic。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3 3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3 3重構(gòu)。圖 3.3 SiC 0001 -3 3 示意圖

39、 圖 900C ,1 pmx 1 m,-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 軟件測得圖（c）中A到B的輪廓曲線324 SC (0001 卜 漢 J3r30°在上一步制得的SiC 0001 -3 3重構(gòu)表面的基礎(chǔ)之上，然后再在1050E退火10分鐘，就可得到SiC 0001 - .、3. 3R 300表面結(jié)構(gòu)。有研究表明，用不同的處理方法得到的SC 0001 - 33R300表面結(jié)構(gòu)，它們在襯底上的堆垛順序不同 。圖 3.4 SiC 0001 - 3 、3R30°示

40、意圖 圖(a) 1050C ,1 pmx 1 g,-2.2V/0.1 nA。圖(b)3D 圖。圖(c) 20 nm x 20 nm,-3.6V,0.18nA。圖(d) RHEED 照射圖。圖3.4是SC（0001）-<3Er300的STM圖和RHEED圖。從圖（a）中可以看 到原始臺階開始變亂，并且沿著臺階邊緣有孔洞出現(xiàn)，遠(yuǎn)離臺階邊緣處有更多碎 小的孔洞出現(xiàn)。圖（c）像是一條一條的線所組成，可以看出SiC 0001 - - 3 . 3R300 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3 3 重構(gòu)。但習(xí)慣上，我們稱之為 SC（0001）-也心ER300是因?yàn)?/p>

41、它的對角線的長度是 邊長的.3倍，且對角線和邊長的夾角是 30°。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 SiC 0001 -3 3R300重構(gòu)325 SC (0001 )-6“ "V3R3O0在UHV 中繼續(xù)加熱到1200C，SiC(0001)表面就開始分解：SiC 120°(UHVb Si +C。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

42、。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 SC 0001 -6 3 6 3R300示意圖圖(a) 1200C ,1 mx 1 g,-2V/82pA 。圖(b) 3D圖。圖(c) 20nm x 20nm,-1.8V,0.21 nA。圖(d) RHEED 照射圖。如圖3.5 （a）所示，SiC臺階變的更亂，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

43、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SC（0001）-6；3漢63只300的原胞，它的邊長是 SiC襯底結(jié)構(gòu)的6倍，故稱為6 6重構(gòu)。它的對角線是其邊長的.3倍，且對角線 和邊長的夾角是30°,因此我們稱之為SiC 0006 3 6-3R30°。RHEED照射圖 在宏觀區(qū)域上不能很好地說明它就是 SiC 0001 -6.3 6.3R300，有一定的局限性。 326外延石墨烯上述得到的SiC表面在UHV中繼續(xù)加熱到1300C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

44、可以看到SiC表面臺階變的更亂，孔洞變的更大，原始臺階消 失。圖（b）三維形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6 6重構(gòu)，明暗相間的條紋是6 6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） 1300C ,1um x 1um,-3V/0.12nA 圖（b）對應(yīng)（a） 的 3D 圖 圖（c） 5nm x 5nm -1mV/72pA。3.3分析與討論3.3.1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90

45、0C Si束流的作用下表面形成了非常平直、規(guī)則的臺階，臺階的高度大約是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15.1198?，那么3個(gè)SiC雙層結(jié)構(gòu) 是7.5?。三層6 3 6.3R30重構(gòu)裂解生長成一層石墨烯，如圖 3.7所。在溫度達(dá) 到12001300C時(shí)，在C-rich 6 . 3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原子會被釋放，升華離開表面。與此同時(shí)，新的C富

46、界面重組在下方形成新的 C富6 . 3區(qū)域。新的6.3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，（!） _其咼于新的T.6Asij =r:能r r i t t t i *“汁午卄林計(jì)丫竹牛Y 椚卄仆q a汁+竹竹比!crr3.3.2山脊結(jié)構(gòu)&+ |G11O：網(wǎng)|6、.,3中間層2.3?，低于原來的5.2?。丄丄 J丄丄 £ 上 I?八? ? ? ? ?宀Gnph«n*r Gnpberw圖3.7高度為7.5?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,Gr*phen«

47、碳原子由灰黑球表示。當(dāng)生長溫度加到1350C 1400C時(shí)，外延石墨烯表面就會出現(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）圖中的相應(yīng)輪廓曲線， 我們可以算出山脊的高度，該山脊高度為0.19nm。結(jié)合圖3.9及其相應(yīng)的輪廓曲X nm線我們可以得出，山脊結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)比較隨機(jī)，而且山脊的大小和高度每次出現(xiàn)都 不一樣。Xnm圖3.8 （ a）山脊結(jié)構(gòu)的二維 STM圖（b）圖（a）的山脊結(jié)構(gòu)的輪廓曲線圖3.9 （a）山脊結(jié)構(gòu)的二維 STM圖（b）圖（a）的山脊結(jié)構(gòu)的輪廓曲線山脊結(jié)構(gòu)是其中一個(gè)典型缺陷。關(guān)于這些山脊結(jié)構(gòu)形成的原因現(xiàn)在還處在爭 論之中。以往大量研究認(rèn)為這是外延石

48、墨烯由于熱失配應(yīng)力的影響而出現(xiàn)山脊， 可以在邊界，也可以在中間部分，但都可以通過STM針尖去移動和改變甚至是制造山脊。如果這些山脊結(jié)構(gòu)是由應(yīng)力引起的 ，則在山脊附近往往應(yīng)該呈現(xiàn)壓應(yīng)力 （可通過它們的熱膨脹系數(shù)大小來判斷），但我們觀察到的結(jié)果是垂直于山脊方向 有30%的張應(yīng)力，因此我們推斷可能還存在著其他的機(jī)制。我們認(rèn)為這些山脊結(jié)構(gòu)的形成是由于在高溫退火合成石墨烯的過程中一些可 移動的原子在降到室溫時(shí)在石墨烯和SiC界面處聚集而形成的。硅原子可能的擴(kuò)散路徑如圖3.10所示：從SiC襯底和6.3層之間擴(kuò)散到臺階邊緣（箭頭1所示）；或 者Si原子先向上穿過6.3層（箭頭2所示）。如果Si原子選擇途徑

49、2,那么在穿越6 3 層后，Si原子有可能選擇在6.3層和第一層石墨烯之間擴(kuò)散到臺階邊緣脫附（箭頭 3所示）；或者再向上穿越石墨烯層（箭頭4所示）。圖3.10 Si原子在6H-SiC(0001)表面擴(kuò)散可能選擇的路徑。圖中；CO tt« «：«jnro：« iIM MM fi/i/i/iirl M Fi紅色大球代表正在擴(kuò)散的 Si原子。*令宀voo*t«it*圖3.11 Si擴(kuò)散的原子結(jié)構(gòu)示意圖橘黃代表Si原子，黑色代表中間層的C原子，紫色代表石墨烯層中的C原子硅原子擴(kuò)散是沿著能量最小的途徑進(jìn)行，從SiC襯底和6 3層之間擴(kuò)散要穿過很多Si-C

50、鍵能量阻礙比較大；先穿過 6.3再穿過石墨烯層，要穿過兩層能量阻 礙也很大；而介于第一層石墨烯和6、3層間的空間是硅原子擴(kuò)散的能量最佳途徑。 利用此原理建立山脊形成的原子示意圖，如圖 3.11所示，熱解時(shí)，大量的硅原子 擴(kuò)散至邊界處而蒸發(fā)，但停止加熱后，硅原子就積聚在邊界不能被蒸發(fā)，由此形 成了硅原子在邊界的堆積而把石墨烯拱起，這樣便形成了我們觀測到得邊界山脊 結(jié)構(gòu)。3.4結(jié)論本論文利用STM技術(shù)研究熱解SiC外延生長石墨烯生長機(jī)制，以及表面原子 結(jié)構(gòu)及形態(tài)的演變規(guī)律。我們發(fā)現(xiàn)，加熱時(shí)間和退火溫度決定外延石墨烯的生長 層數(shù)和質(zhì)量等。樣品在表面石墨化之前一直保持 SiC原來的臺階形貌，平直而有

51、規(guī)則，而在表面石墨化之后臺階的形貌開始變得無序，并伴隨孔洞的出現(xiàn)，隨加熱溫度的升高，孔洞變的越來越大，且數(shù)目越來越多，最后SiC原始的臺階形貌消失。在這個(gè)過程中，SiC的表面伴隨著發(fā)生了一系列的重構(gòu)，最終形成石墨烯。當(dāng) 溫度升高到1350C 1400C時(shí)，石墨烯表面就會有山脊出現(xiàn)，利用STM我們對6H-SiC(0001)表面外延石墨烯表面的山脊結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制提出了自已的模型，硅原子擴(kuò)散的最佳途徑是介于第一層石墨烯和6. 3層間的空間，當(dāng)停止加熱后，硅原子就積聚在邊界不能被蒸發(fā)，由此硅原子堆積而把石墨烯拱起，形成了我們觀測 到得邊界山脊結(jié)構(gòu)。【參考文獻(xiàn)】1 A. K. Geim and K. S

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