[論文レビュー] Rapid characterization of wafer-scale 2D material: Epitaxial graphene and graphene nanoribbons on SiC

Vishal Panchal, Yanfei Yang+9 more|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2017

Graphene research and applications参考文献 21被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、エピタキシャルグラフェンおよびSiC基板上のグラフェンナノリブンを、迅速かつ非破壊的かつ大気中環境でも可能な方法で、ウェーハスケールで特徴付けるために共焦点レーザースキャニング顕微鏡（CLSM）が有効であることを示している。約150 nmの分解能と、ラマン法やSPMと比較して数倍速い取得速度を備え、CLSMは強度対比により、界面層、単層・二層、過成長層といったグラフェン相を区別可能であり、産業的スケールの2次元材料の品質管理に応用可能なスケーラブルなソリューションを提供する。

ABSTRACT

We demonstrate that the confocal laser scanning microscopy (CLSM) provides a non-destructive, highly-efficient characterization method for large-area epitaxial graphene and graphene nanostructures on SiC substrates, which can be applied in ambient air without sample preparation and is insusceptible to surface charging or surface contamination. Based on the variation of reflected intensity from regions covered by interfacial layer, single layer, bilayer, or few layer graphene, and through the correlation to the results from Raman spectroscopy and SPM, CLSM images with a high resolution (around 150 nm) reveal that the intensity contrast has distinct feature for undergrown graphene (mixing of dense, parallel graphene nanoribbons and interfacial layer), continuous graphene, and overgrown graphene. Moreover, CLSM has a real acquisition time hundreds of times faster per unit area than the supplementary characterization methods. We believe that the confocal laser scanning microscope will be an indispensable tool for mass-produced epitaxial graphene or applicable 2D materials.

研究の動機と目的

• SiC基板上に大面積で成長した2次元材料を迅速かつ非破壊的かつ大気中環境でも可能な方法で特徴付けるための手法の開発。
• 異なるグラフェン相（例：界面層、単層、二層、過成長）に対応する明著な光学コントラストパターンがCLSMで観察されるかの特定。
• エピタキシャルグラフェンおよびグラフェンナノリブンの高スループットな品質評価を可能にし、産業的スケーラビリティを実現すること。
• ラマン分光法や走査プローブ顕微鏡（SPM）のような遅く、前処理を要する手法への依存を減らすこと。
• CLSMを、プロセス中のグラフェン成長および形態のリアルタイム監視に実用的かつ即時のツールとして確立すること。

提案手法

• 共焦点レーザースキャニング顕微鏡（CLSM）を用いて、前処理を施さずに大気中条件下で4H-SiC基板上にエピタキシャルグラフェンおよびグラフェンナノリブンを撮影した。
• 界面層、単層、二層、数層、過成長領域などの異なるグラフェン領域における反射レーザー強度の変動を測定し、約150 nmの高分解能光学コントラストマップを生成した。
• ラマン分光法および走査プローブ顕微鏡（SPM）の参照データと照合することで、相同定の妥当性を検証した。
• ラマン法やSPMと比較して、単位面積あたりの取得速度が数倍速いリアルタイムCLSM撮影を実施した。
• 強度コントラスト特徴を分析し、密な平行ナノリブンと界面層を有する未成長グラフェンと、連続的および過成長グラフェンを区別した。
• 561 nmのレーザー励起を用いて、グラフェン多層膜および界面層における光学的反射率の差を活用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CLSMは、SiC基板上にエピタキシャルグラフェンおよびグラフェンナノリブンを迅速かつ非破壊的かつ大気中環境でも可能な方法で特徴付けることができるか？
• RQ2 明確なCLSM強度コントラストパターンが、特定のグラフェン相（例：界面層、単層、二層、過成長）に対応するか？
• RQ3 CLSMの取得速度は、ラマン分光法やSPMといった従来の手法と比較して、大面積2次元材料の検査においてどのように異なるか？
• RQ4 CLSMは、未成長グラフェン（ナノリブンアレイと界面層を含む）を連続的および過成長グラフェンと信頼性高く区別できるか？
• RQ5 CLSMは、前処理を施さずに、大気中環境下での表面電荷や汚染に対して頑健であるか？

主な発見

• CLSMは、SiC基板上にエピタキシャルグラフェンおよびグラフェンナノリブンを撮影する際、約150 nmの空間分解能を達成し、詳細な形態マッピングを可能にした。
• CLSM画像における明確な強度コントラストにより、未成長グラフェン（ナノリブンと界面層の混合構造）、連続的グラフェン、過成長グラフェンが明確に区別された。
• CLSMの取得速度は、ラマン分光法やSPMと比較して、単位面積あたり数倍速く、高スループットな検査が可能となった。
• CLSMは、非破壊的かつ大気中環境でも可能な特徴付けを実現し、前処理を要せず、表面電荷や汚染の影響を受けることがなかった。
• ラマン分光法およびSPMとの相関により、CLSMの強度変動が、異なるグラフェン層数や構造的相を信頼性高く示すことが確認された。
• 本手法は、エピタキシャルグラフェンのようなウェーハスケール2次元材料の産業的品質管理において、強く実用的なポテンシャルを示した。