С.В.Голод, Е.Б.Горохов, В.А.Володин, В.Я.Принц, А.А.Пахневич, В.А.Селезнев

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.