[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究首次直接测量了6H-SiC(Si)衬底上石墨烯缓冲层的拉曼光谱和光学消光，发现其表现出具有显著sp³键合特征的碳层光谱，且在514.5 nm波长下的消光系数为0.88%。当石墨烯单层生长在缓冲层之上时，其会强烈抑制拉曼强度（约降低3倍），从而使得基于D/G强度比的畴尺寸分析变得复杂，并通过外延层中存在高张应力（−0.60%至−0.42%）证实了缓冲层与石墨烯之间存在强电子耦合。

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%.

研究动机与目标

• 直接测量外延石墨烯在6H-SiC(Si)衬底上缓冲层的拉曼光谱与光学消光。
• 解决在标准拉曼分析中难以区分缓冲层与石墨烯单层拉曼信号的长期模糊问题。
• 研究缓冲层与上覆石墨烯单层之间的光学与电子耦合特性。
• 评估缓冲层对基于拉曼强度的外延石墨烯畴尺寸估算的影响。

提出的方法

• 在1800 °C和1850 °C下外延生长石墨烯于6H-SiC(Si)衬底上，以实现早期石墨化阶段，此时存在裸露SiC、缓冲层及单层石墨烯鳞片共存。
• 采用空间分辨率为0.5 μm的微区拉曼光谱与微透射测量相结合的方法，绘制拉曼强度与消光系数分布图。
• 利用归一化的G带强度与相对消光量，量化光学响应，并区分缓冲层与石墨烯单层的贡献。
• 通过G带与2D带峰位移分析应变，利用已建立的校准曲线计算应变值。
• 应用去偏振拉曼光谱以分离缓冲层信号与SiC二级拉曼特征。
• 将拉曼图与SEM及AFM数据相关联，评估均匀性、应变非均匀性及鳞片形貌。

实验结果

研究问题

• RQ1 在514.5 nm波长下，6H-SiC(Si)上石墨烯缓冲层的本征拉曼光谱与光学消光特性为何？
• RQ2 石墨烯单层的存在如何影响下层缓冲层的拉曼强度？
• RQ3 在标准拉曼测量中外延石墨烯的D带与G带强度中，缓冲层贡献了多少？
• RQ4 生长于缓冲层上的石墨烯单层的应变状态如何？其在鳞片上的分布是否均匀？
• RQ5 缓冲层与石墨烯单层之间的强耦合在光学响应与拉曼强度中如何体现？

主要发现

• 缓冲层的拉曼光谱与含有显著sp³键合的碳层一致，与本征石墨烯明显不同。
• 在514.5 nm波长下，缓冲层的相对消光为η = 0.88 ± 0.03%，约为石墨烯单层消光的三分之二。
• 当石墨烯单层生长于其上方时，缓冲层的拉曼强度降低约3倍，表明存在强烈的光学耦合。
• 缓冲层背景导致基于D/G强度比的畴尺寸评估产生偏差，因为D带无法明确归因于石墨烯单层。
• 生长于缓冲层上的石墨烯单层表现出−0.60%至−0.42%的压缩应变，该结果由G带与2D带峰位共同证实。
• 应变在鳞片上分布不均，2D带位置变化达20 cm⁻¹，且中心区域应变最大，从而抑制了皱褶的形成。