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《中国科学技术大学》 2009年
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碳化硅薄膜的外延生长、结构表征及石墨烯的制备

刘忠良  
【摘要】: SiC作为第三代宽带隙半导体材料,具有许多优异特性,在半导体器件中有着广泛的应用。石墨烯作为一种新型的二维碳元素新材料,具有一系列优良的电学特性,例如反常的量子霍尔效应和高载流子迁移率等。这些优异性质使其成为当今研究的热点。本论文利用固源分子束外延(SSMBE)技术,在Si、Al_2O_3和SiC单晶衬底上外延生长SiC薄膜及其同质异构量子阱结构。利用MBE设备,采用高温热退火并辅助Si束流的方法,在SiC表面外延生长石墨烯。利用同步辐射以及一些常规的分析测试方法对外延生长的SiC薄膜和石墨烯进行研究。主要的研究工作及结果如下: 1 Si衬底上3C-SiC薄膜的外延生长 在Si衬底表面异质外延生长出高质量的3C-SiC薄膜,系统研究了碳化、衬底温度、Si/C束流比和预沉积Ge对Si衬底外延SiC薄膜的影响,并得到了相应的优化参数。 1)衬底Si表面的碳化调节了薄膜和衬底之间的晶格失配,缓冲了应力,从而提高了薄膜的质量。在Si表面碳化研究中,探索到了最佳的碳化温度。 2)薄膜的结晶质量在衬底温度为1000℃时最好。对于高温生长的样品,SiC薄膜和Si衬底间大的热膨胀系数失配造成界面更多的位错,导致结晶质量降低;对于低温生长的样品,衬底温度不高,原子的活性比较低,原子不能扩散到薄膜生长的能量最佳位置,因而导致低温生长的样品结晶质量下降。 3)在优化Si/C(1.5:1)比条件下生长的薄膜的质量较好。在低Si/C(1.1:1)和高的Si/C比(2.3:1)条件生长的薄膜的质量较差。可以通过控制Si/C来抑制或减少孔洞的形成,改善生长的SiC薄膜的质量 4)预沉积Ge可以提高薄膜的质量,且存在一个最佳的预沉积厚度(0.2nm)及预沉积温度。由于预沉积Ge与Si和C形成了Si_(1-x-y)Ge_xC_y合金相,它能调节晶格失配,缓冲薄膜内的应力,从而提高薄膜的质量。 2 Al_2O_3衬底上6H-SiC薄膜的外延生长 1)利用SSMBE技术,在Al_2O_3(0001)衬底上外延生长出6H-SiC薄膜。X射线Φ扫描显示出薄膜的六次对称衍射峰,表明生长的SiC薄膜接近单晶水平。 2)在优化的衬底温度下(1100℃)生长的薄膜质量较好,在较低温度(1000℃)和较高温度(1200℃)条件下生长的薄膜质量较差。 3)同步辐射掠入射X射线衍射(GID)研究表明,SiC/Al_2O_3薄膜内受到压应变,它来源于界面处SiC薄膜和蓝宝石衬底热膨胀系数的失配。薄膜远离界面后,压应变减小,单晶质量变好。GID和XRD的研究表明,薄膜内存在倾斜(tilt)和扭转(twist)畸变,且扭转大于倾斜。 3 6H-SiC表面的同质外延及量子阱结构的制备 1)预沉积Si原子后,SiC(0001)表面结构随温度的改变而变化。随着温度的升高,SiC表面的Si原子反蒸发,表面的Si原子减少并先后出现3×3和3~(1/2)×3~(1/2)重构。 2)利用不同重构表面的迁移系数的差异,调节Si束流,在衬底温度1080℃下,分别在6H-SiC(0001)的3~(1/2)×3~(1/2)和3×3重构面成功地上实现了3C-SiC和6H-SiC晶型薄膜的外延生长。 3)固定衬底温度,调节束流实现了6H-SiC/3C-SiC/6H-SiC多量子阱薄膜的外延生长,并发现该量子阱结构的宽发光带。经计算,宽发光带可能来源于不同宽度的量子阱的发光。 4 6H-SiC表面石墨烯的外延生长 1)利用超高真空MBE系统,通过高温退火并辅助Si束流的方法,在6H-SiC(0001)表面成功制备出多层石墨烯。 2)研究了不同退火时间对6H-SiC(0001)晶体外延石墨烯的影响。随着退火时间的增加,石墨烯厚度增加,样品表面孔洞减少。薄膜内存在压应力,它来源于石墨烯和SiC衬底的热膨胀系数的差异。石墨烯层数越多,应力也越小。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TN304.24

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【引证文献】
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【参考文献】
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【共引文献】
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【同被引文献】
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9 马东伟;金属掺杂的石墨烯及相关体系电子态和自旋—轨道耦合性质的理论研究[D];复旦大学;2012年
10 吕伟;石墨烯的宏量制备、可控组装及电化学性能研究[D];天津大学;2012年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 朱振华;石墨烯传感性能理论计算[D];华中师范大学;2014年
2 刘站站;聚合物共价修饰石墨烯的研究[D];华东理工大学;2014年
3 杜蛟;石墨烯及其复合材料对生物小分子的电化学检测[D];苏州大学;2014年
4 侯文俊;石墨烯增强尼龙6纤维的研究[D];苏州大学;2014年
5 邢艳敏;绝缘衬底上石墨烯的形成及其机理研究[D];华中师范大学;2014年
6 王赟;石墨烯用于锂离子电池负极材料的应用基础研究[D];华东理工大学;2014年
7 李金霞;石墨烯掺杂碳印刷阵列电极的制作及其应用研究[D];宁夏大学;2014年
8 刘晓彤;石墨烯及柔性器件在有机磷类农药残留分析方面的应用[D];中国农业大学;2014年
9 李坤阳;纳米氧化石墨烯基底材料的制备及其在基因转染和干细胞分化中的应用[D];苏州大学;2014年
10 韩媛媛;基于石墨烯透明电极的高效有机发光二极管的研究[D];苏州大学;2014年
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