[논문 리뷰] Raman spectrum and optical extinction of graphene buffer layers on the Si-face of 6H-SiC

Antoine Tiberj, J. R. Huntzinger외 3명|arXiv (Cornell University)|2012. 12. 05.

Graphene research and applications인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 6H-SiC(Si) 기판 상의 그래핀 버퍼층의 라만 스펙트럼과 광학 투과도를 처음으로 직접 측정하여, 이들이 탄소로 구성되어 있으며 상당한 비율의 sp³ 결합을 포함하고 있음을 밝혀내며, 514.5 nm에서 투과도 계수는 0.88%임을 확인하였다. 그래핀 단일층이 버퍼층 위에 형성될 경우 라만 강도가 약 3배 감소하여 도메인 크기 분석에 어려움을 주며, 상층의 고압축 응력(−0.60%에서 −0.42%)을 통해 강한 전자기구성의 존재를 확인하였다.

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%.

연구 동기 및 목표

• 에피택셜 그래핀을 형성한 6H-SiC(Si) 기판에서 버퍼층의 라만 스펙트럼과 광학 투과도를 직접 측정하기.
• 기존 라만 분석에서 버퍼층의 라만 신호와 그래핀 단일층의 신호를 구분하는 데 오랫동안 애매하게 남아 있던 문제를 해결하기.
• 버퍼층과 상층의 그래핀 단일층 간의 광학적 및 전자기적 결합을 조사하기.
• 버퍼층이 에피택셜 그래핀에서 라만 강도 기반 도메인 크기 추정에 미치는 영향을 평가하기.

제안 방법

• 1800 °C와 1850 °C에서 6H-SiC(Si) 기판 상에 에피택셜 그래핀을 성장시켜 초기 단계의 고온화 과정에서 박리된 SiC, 버퍼층, 단일층 플레이크가 공존하는 상태를 확보하였다.
• 0.5 μm의 공간 해상도를 갖춘 병행된 마이크로-라만 분광법과 마이크로-투과도 측정을 수행하여 라만 강도와 투과도 계수를 맵핑하였다.
• 정규화된 G밴드 강도와 상대적 투과도를 사용하여 광학 반응을 정량화하고, 버퍼층과 그래핀 단일층의 기여를 구분하였다.
• G밴드 및 2D밴드 피크 위치를 분석하여 응력 상태를 평가하였으며, 기존에 확립된 校정 곡선을 이용해 에너지 이동량을 기반으로 응력 크기를 계산하였다.
• 편광 해리된 라만 분광법을 적용하여 SiC의 이차 라만 특징으로부터 버퍼층의 신호를 분리하였다.
• 라만 맵핑 결과를 SEM 및 AFM 데이터와 연계하여 균일성, 응력 비균일성, 플레이크 형태를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 6H-SiC(Si) 기판 상의 그래핀 버퍼층의 514.5 nm에서의 고유한 라만 스펙트럼과 광학 투과도는 무엇인가?
• RQ2 그래핀 단일층이 존재할 경우, 하부 버퍼층의 라만 강도는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 표준 라만 측정에서 에피택셜 그래핀의 D 및 G 밴드 강도에 버퍼층이 어느 정도 기여하는가?
• RQ4 버퍼층 위에 형성된 그래핀 단일층의 응력 상태는 어떠한가? 그리고 플레이크 전반에 걸쳐 비균일성은 얼마나 되는가?
• RQ5 버퍼층과 그래핀 단일층 간의 강한 결합이 광학 반응과 라만 강도에 어떻게 나타나는가?

주요 결과

• 버퍼층은 뚜렷한 그래핀과는 다름없는 탄소층으로, 상당한 비율의 sp³ 결합을 포함하고 있음을 보여주는 라만 스펙트럼을 나타낸다.
• 514.5 nm에서 버퍼층의 상대적 투과도는 η = 0.88 ± 0.03%이며, 이는 그래핀 단일층의 투과도의 약 2/3에 해당한다.
• 버퍼층 위에 그래핀 단일층이 형성되면 라만 강도가 약 3배 감소함을 확인하여 강한 광학 결합이 존재함을 시사한다.
• 버퍼층의 배경 신호는 D/G 강도 비율 기반 도메인 크기 평가에 영향을 미치며, D 밴드 신호가 그래핀 단일층에 기인한 것으로 명확히 구분되지 않는다.
• 버퍼층 위에 형성된 그래핀 단일층은 압축 응력이 −0.60%에서 −0.42% 사이로 나타나며, G밴드 및 2D밴드 피크 위치 측정을 통해 확인되었다.
• 응력은 플레이크 전반에 걸쳐 비균일하며, 2D밴드 피크 위치의 변동 폭이 최대 20 cm⁻¹에 이르며, 플레이크 중심에서 가장 높게 나타나며 주름 형성이 방지된다.