Развит метод газотранспортного выращивания графеновых слоев на
поверхности никеля и формирования напряженных гибридных SiO2/Ni/графен
пленок. Цель исследований заключалась в поиске оптимальных режимов роста
графеновых пленок большой площади. Были выращены пленки графена при
различных температурах (от 500°С до 900°С) на пленках никеля толщинами от 10
нм до 100 нм площадью до 150 см2. Экспериментально установлено, что многослойные пленки графена воспроизводимо формируются во всем диапазоне толщин
никеля и температур роста. Необходимым условием получения однородных
графеновых слоев является быстрое охлаждение образцов (> 10 градусов в секунду)
после окончания этапа насыщения никеля углеродом. При меньших скоростях
охлаждения на поверхности никеля формируются пленки с высоким содержанием
аморфного углерода. Установлено, что при температурах роста выше 800°С происходит деградация никелевого слоя, что исключает использование пленок никеля
менее 100 нм. Методом атомно-силовой микроскопии было показано, что процесс
роста графеновых пленок при низких температурах начинается с образования
островков с последующим их соединением в сплошную пленку.
Диагностика качества получаемых графеновых слоёв была проведена с
помощью спектроскопии комбинационного рассеяния (СКР) света. Пример спектра
комбинационного рассеяния однослойного графена, измеренного при температуре
роста 900°С приведён на рисунке. Пик G, расположенный в окрестности спектра
1580 см-1, обусловлен рассеянием фотоэлектронов на внутриплоскостных (термин
"in-line modes" в англоязычной литературе) оптических фононах с волновым
вектором вблизи центра зоны Бриллюэна. Данный пик является дважды вырожденным, что обусловлено одновременным участием в его формировании LO- и TO-
фононов. Пик D, расположенный в окрестности спектра 1350 см-1, исследователи
обычно связывают с рассеянием фотоэлектронов на внеплоскостных (термин
"breathing-like modes" в англоязычной литературе) междолинных TO-фононах с
волновым вектором в долине K в обратном пространстве. Пик 2D, лежащий в
окрестности спектра 2680 см-1, является результатом двойного резонансного
Рис. Спектры комбинационного рассеяния света графеновых пленок, выращенных при
разных температурах (а - 900°С; б - 600°С) на слое никеля толщиной 50 нм.
рассеяния на внутриплоскостных оптических фононах и представляет собой
вторую гармонику пика D. Также в измеряемых спектрах заметен пик в окрестности
2450 см
-1 - его присутствие обусловлено вкладом кремниевой подложки, на которой
размещается графеновый слой. Следует отметить, что процессы оптического
переизлучения, формирующие пик D, запрещены правилами отбора в идеальном
кристалле графена. Появление данного пика может быть обусловлено только
нарушением кристаллической структуры исследуемых графеновых слоёв: точечными дефектами, зернистости, наличием краёв и трещин. Таким образом, по интенсивности пиков D в СКР можно судить о степени структурной разупорядоченности
графеновых структур. Как видно на рисунке, интенсивность пика D падает приблизительно в 4 раза по мере увеличения температуры химического осаждения графена
из газовой фазы с 600 до 900°С, что показывает возможность значительной минимизации плотности дефектов структуры графеновых слоёв с помощью управления
температуры роста.