遠(yuǎn)程外延是一種很有前途的技術(shù)，最近引起了相當(dāng)大的關(guān)注，它能夠生長出通過二維材料夾層復(fù)制襯底晶體特性的薄膜。生長的薄膜可以剝離以形成獨立的膜，盡管如果襯底材料在苛刻的外延條件下容易損壞，應(yīng)用這種技術(shù)通常是具有挑戰(zhàn)性的。例如，由于這種損傷，石墨烯/GaN模板上的GaN薄膜的遠(yuǎn)程外延尚未通過標(biāo)準(zhǔn)的金屬-有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）方法實現(xiàn)。在此，本文報道了通過MOCVD在石墨烯/AlN模板上進(jìn)行GaN遠(yuǎn)程異質(zhì)外延，并研究了AlN中的表面凹坑對GaN薄膜生長和剝離的影響。我們首先展示了石墨烯在生長GaN之前的熱穩(wěn)定性，在此基礎(chǔ)上開發(fā)了GaN在石墨烯/AlN上的兩步生長。GaN樣品在750℃的第一步生長后成功剝離，而在1050℃的第二步生長后剝離失敗。深入分析證實，AlN模板中的凹坑導(dǎo)致該區(qū)域附近石墨烯的降解，從而導(dǎo)致生長模式的改變和剝離失敗。這些結(jié)果舉例說明了生長模板的化學(xué)和地形特性對于成功的遠(yuǎn)程外延的重要性。這是III族氮化物基遠(yuǎn)程外延的關(guān)鍵因素之一，這些結(jié)果有望對僅使用MOCVD實現(xiàn)完全遠(yuǎn)程外延有很大幫助。
圖1.GaN遠(yuǎn)程異質(zhì)外延和剝離。（a） AlN模板上GaN遠(yuǎn)程異質(zhì)外延的示意圖，包括剝離和石墨烯熱退火測試。（b） 與溫度相關(guān)的GaN生長過程圖。
圖2:石墨烯熱退火試驗。（a） 根據(jù)熱退火溫度差的拉曼光譜的比較。（b，c）I
2D/I
G比率分別在1050°c（樣品c）和1130°c（樣本D）下的拉曼映射。（d） 用于檢查石墨烯表面狀況的AFM圖像。紅色箭頭為石墨烯褶皺，藍(lán)色箭頭為AlN表面凹坑，黃色箭頭為PMMA殘留物，綠色箭頭為石墨石墨烯痕跡。所有比例尺均為5μm。
圖3.石墨烯/AlN上生長的GaN的檢查。第一次生長GaN（a，e）、第二次生長5分鐘（b，f）、第三次生長10分鐘（c，g）和第二次增長60分鐘（d，h）后的頂視圖SEM圖像和XRD 2-θ掃描。紅色虛線圓圈是隨機(jī)取向的GaN晶粒，黃色箭頭是平面內(nèi)排列。所有比例尺均為4μm。
圖4.在第二個GaN生長步驟之后的XRD數(shù)據(jù)以確認(rèn)結(jié)晶度。（a） GaN（002）在石墨烯/AlN和裸AlN上的搖擺曲線。（b） GaN（104）在石墨烯/AlN和裸AlN上的搖擺曲線。（c） φ-石墨烯/AlN模板上GaN的掃描，顯示平面內(nèi)排列。（d，e）GaN（002）和（102）的極性圖。
圖5.第一次和第二次生長GaN后的剝離測試。（a，b）樣品1和2剝離后的照片。樣品1在第一次GaN生長之后。樣品2在第二次GaN生長之后。紅色虛線方塊是樣品1的剝落區(qū)域。比例尺為5mm。（c，d）剝離后樣品1表面的顯微鏡圖像和拉曼光譜。（c）中的比例尺為20μm。（e，f）剝離后TRT上的顯微鏡圖像和拉曼光譜。（e）中的比例尺為20μm。
圖6.用于確認(rèn)石墨烯的HR-TEM圖像和EDS分析。（a） 第二次GaN生長后樣品的橫截面TEM圖像。比例尺為1μm。（b） 坑附近的放大圖像（（a）的紅色虛線框）。比例尺為100納米。（c） 沿著凹坑側(cè)面的放大圖像（（b）的綠色虛線框）。比例尺為5 nm。（d） 距離凹坑幾微米遠(yuǎn)的ABF圖像（（a）的藍(lán)色虛線框）。比例尺為25納米。（e） 沿（d）中箭頭方向的路徑的EDS原子百分比。（f） 從（d）的黃色虛線框放大的ABF-STEM圖像。比例尺為2 nm。
圖7.石墨烯/AlN模板上的初始GaN生長圖案。（a） 生長在石墨烯上的GaN島的俯視SEM圖像（在持續(xù)5分鐘的第一個GaN生長步驟之后）。比例尺為1μm。（b） 石墨烯/AlN坑上GaN生長模式示意圖。紫色結(jié)構(gòu)是受AlN凹坑影響的GaN核。紅色箭頭是預(yù)期的GaN生長方向。（c） 初始生長和結(jié)晶后AlN坑附近生長圖案的截面SEM圖像。比例尺，500納米。
圖8.AlN模板的圖像。（a） 2英寸的照片。石墨烯轉(zhuǎn)移前的AlN模板。比例尺，1.5厘米。GIST允許在背景上使用GIST標(biāo)志。（b） 同一模板中心區(qū)域的顯微鏡圖像。比例尺，40μm。（c）相同模板的更高量級SEM圖像。比例尺相同，5納米。紅色填充的虛線區(qū)域是石墨烯預(yù)計在第二GaN生長步驟期間被損壞的地方。受損區(qū)域可能比虛線區(qū)域還要大。
相關(guān)研究成果由光州科學(xué)技術(shù)研究所Dong-Seon Lee等人2023年發(fā)表在ACS Nano (https://doi.org/10.1021/acsnano.3c02565)上。原文：Stability of Graphene and Influence of AlN Surface Pits on GaN Remote Heteroepitaxy for Exfoliation。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
