對于現代石墨烯器件的制造，在晶片規模上均勻生長高質量單層石墨烯是重要的。本工作報道了通過化學氣相沉積和生長過程的DFT分析在半導體8英寸Ge（110）/Si晶片上生長大規模石墨烯。良好的石墨烯質量由拉曼2D帶的小FWHM（32 cm
–1）、拉曼D和G帶的低強度比（0.06）以及均勻的SEM圖像表示，并通過霍爾測量得到證實：高遷移率（2700 cm
2/Vs）和低薄層電阻（800Ω/sq）。與Ge（001）相反，Ge（110）在生長過程中不進行表面處理。我們認為，Ge（001）的粗糙化是由于釘扎臺階處的空位積累、鍵合的石墨烯邊緣在（107）面上的容易運動以及通過表面鄰域擴展Ge區域的低能量成本造成的，但在Ge（110）上，由于不同的表面幾何形狀和復雜的重建，這些機制不起作用。
圖1.（a） XPS C1s和（b）在Ge（110）上生長的石墨烯的拉曼光譜。
圖2:石墨烯的拉曼研究（a）I
D/I
G比的直方圖，（b）2D帶FWHM的微拉曼圖，（c）2D-FWHM的直方圖，以及（d）2D與G峰位置的關系。
圖3.（a，b）石墨烯/Ge（110）的SEM和AFM顯微照片。（c，d）石墨烯/Ge（001）的SEM和AFM顯微照片。
圖4.石墨烯從Ge（110）轉移到SiO
2上。（a） SEM圖像。（b） 拉曼光譜。（c） 霍爾條形結構的光學圖像。
圖5.Ge（001）和Ge（110）表面及其重建。虛線表示截斷體的基元1×1細胞。截短體的原子以深褐色表示；霧用于深度提示。（a） 未重構的Ge（001）1×1.（b） 未重構的Ge（110）1×1.（c） 二聚Ge（001）p2×2.（d） Ge（110）“8×10”，具有吸附原子（藍色）和吸附原子團簇：二聚體（綠色）和五聚體（紅色）。單吸附原子和吸附原子二聚體降低了懸掛鍵密度；吸附原子五聚體保持低的表面應變。
圖6.未應變石墨烯在Ge（001）上的膨脹和小平面的形成。Ge–C鍵中的原子被放大；Ge（001）疇為紅色和藍色。（a） 石墨烯指狀物在鍺二聚體行上爬行。（b） 石墨烯在850°C下從10mbarCH
4中生長后，刻面和非刻面區域之間邊界的STM圖像。（c）連接也與二聚體空位（藍色）鍵合，因此爬行繼續穿過單原子臺階到達較低的階地，即Ge（001）的另一個結構域。（d） 石墨烯邊緣結合到Ge（107）。
圖7.石墨烯與鍺上的直臺階結合，俯視圖中使用霧作為深度排隊。在Ge（110）臺階上屬于Ge之字形的原子是褐色的（圖a和b）；兩個Ge（001）疇的原子是紅色和藍色（圖b和c）；來自連接到Ge原子的環的C原子是黑色的；參與Ge–C鍵的原子增大；而在剩下的原子中，只顯示了它們的鍵。（a） Ge原子在Ge（110）的[1õ10]Ge之字形臺階上。（b） 石墨烯鍵合到Ge（110）上，（c）鍵合到鍺（001）上的S
B臺階，以及（d）鍵合在鍺（001）上的S
A臺階。
圖8.控制Ge（110）和Ge（001）對石墨烯生長的響應的因素。
相關研究成果由萊布尼茨創新微電子研究所Fatima Akhtarh和Mindaugas Lukosius等人2023年發表在ACS Applied Materials & Interfaces (https://doi.org/10.1021/acsami.3c05860)上。原文：Chemical Vapor Deposition Growth of Graphene on 200 mm Ge(110)/Si Wafers and Ab Initio Analysis of Differences in Growth Mechanisms on Ge(110) and Ge(001)。
轉自《石墨烯研究》公眾號
