[論文レビュー] Raman spectrum and optical extinction of graphene buffer layers on the Si-face of 6H-SiC

Antoine Tiberj, J. R. Huntzinger+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2012

Graphene research and applications被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、6H-SiC(Si)上に形成されたグラフェンバッファーレイヤーのラマンスペクトルおよび光学的消光を初めて直接測定した。その結果、スピン3結合を顕著に含む炭素の性質を示すスペクトルを示し、514.5 nmで消光係数が0.88%であることが判明した。グラフェンモノレイヤーが上に成長すると、バッファーレイヤーのラマン強度が約3倍に抑制され、ドメインサイズの解析におけるD/G強度比の応用が複雑化する。また、上層に高い圧縮ひずみ（−0.60%〜−0.42%）が生じることから、強い電子的結合が確認された。

ABSTRACT

The buffer layer has been analysed by combined micro-Raman and micro-transmission experiments. The epitaxial graphene growth on the (0001) Si face of 6H-SiC substrates was tuned to get a mixed surface at the early stage of graphitization with i) bare SiC, ii) buffer layer and iii) in some localized areas small monolayers flakes on top of the buffer layer. These unique samples enabled to measure the Raman spectrum of the buffer layer (close to the Raman spectrum of a carbon layer with a significant percentage of sp3 bonds) and its corresponding relative extinction at 514.5 nm. The Raman spectrum of the buffer layer remains visible after the growth of one monolayer on top but, despite the relatively low absorption coefficient of graphene, the Raman intensity is strongly reduced (typically divided by 3). The buffer layer background will bias usual evaluations of the domain sizes based on the D/G integrated intensities ratio. Finally, several Raman maps show the excellent thickness uniformity and crystalline quality of the graphene monolayers and that they are subjected to a non uniform compressive strain with values comprised between -0.60% and -0.42%.

研究の動機と目的

• エpitaxialグラフェンを形成する6H-SiC(Si)基板上におけるバッファーレイヤーのラマンスペクトルおよび光学的消光を直接測定すること。
• 標準的なラマン分析において、バッファーレイヤーのラマン信号とグラフェンモノレイヤーの信号を区別する長年の曖昧さを解消すること。
• バッファーレイヤーと上層のグラフェンモノレイヤーとの間の光学的および電子的結合を調査すること。
• バッファーレイヤーがエpitaxialグラフェンにおけるラマン強度に基づくドメインサイズ推定に与える影響を評価すること。

提案手法

• 1800 °Cおよび1850 °Cでエpitaxialグラフェンを成長させ、初期段階のカーボン化を達成し、露出したSiC、バッファーレイヤー、およびモノレイヤーのフラクタルが共存する状態を実現した。
• 0.5 μmの空間分解能を有するラマン・マイクロスコピーとマイクロ透過率測定を併用し、ラマン強度および消光係数のマップを取得した。
• 正規化されたGバンド強度および相対的消光を用いて、光学的応答を定量し、バッファーレイヤーとグラフェンモノレイヤーの寄与を区別した。
• Gバンドおよび2Dバンドのピーク位置を分析し、既知のキャリブレーション曲線を用いてエネルギーシフトからひずみを計算した。
• 偏光を解除したラマン分光法を用いて、SiCの二次高調波ラマン特徴と分離してバッファーレイヤーの信号を特定した。
• ラマンマップを走査型電子顕微鏡（SEM）および原子間力顕微鏡（AFM）データと照合し、均一性、ひずみの不均一性、フラクタルの形状を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 514.5 nmにおける6H-SiC(Si)上に形成されたグラフェンバッファーレイヤーの固有のラマンスペクトルおよび光学的消光は何か？
• RQ2 グラフェンモノレイヤーが存在する場合、下層のバッファーレイヤーのラマン強度にどのような影響を与えるか？
• RQ3 標準的なラマン測定において、バッファーレイヤーがエpitaxialグラフェンのDバンドおよびGバンド強度にどの程度寄与しているか？
• RQ4 バッファーレイヤー上に成長したグラフェンモノレイヤーのひずみ状態は何か？また、フラクタル全体にわたり不均一性はどの程度か？
• RQ5 バッファーレイヤーとグラフェンモノレイヤーの強い結合が、光学的応答およびラマン強度にどのように現れるか？

主な発見

• バッファーレイヤーは、顕著なsp³結合を含む炭素層としての性質を示し、完全なグラフェンとは異なるラマンスペクトルを示した。
• 514.5 nmにおけるバッファーレイヤーの相対的消光はη = 0.88 ± 0.03%であり、グラフェンモノレイヤーの約2/3に相当する。
• グラフェンモノレイヤーが上に成長すると、バッファーレイヤーのラマン強度は約3倍に低下し、強い光学的結合を示唆した。
• バッファーレイヤーの背景が、D/G強度比に基づくドメインサイズ評価を歪める。Dバンドはグラフェンモノレイヤーに明確に起因するとは限らない。
• バッファーレイヤー上に成長したグラフェンモノレイヤーは、−0.60%〜−0.42%の圧縮ひずみを示し、Gバンドおよび2Dバンドのピーク位置から両方で確認された。
• ひずみはフラクタル全体にわたり不均一であり、2Dバンドのピーク位置に最大20 cm⁻¹の変動が認められ、特にフラクタル中心部で最大値を示した。このため、しわの形成が抑制された。