遠程外延是一種很有前途的技術，最近引起了相當大的關注，它能夠生長出通過二維材料夾層復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，應用這種技術通常是具有挑戰性的。例如，由于這種損傷，石墨烯/GaN模板上的GaN薄膜的遠程外延尚未通過標準的金屬-有機化學氣相沉積（MOCVD）方法實現。在此，本文報道了通過MOCVD在石墨烯/AlN模板上進行GaN遠程異質外延，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之前的熱穩定性，在此基礎上開發了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模板中的凹坑導致該區域附近石墨烯的降解，從而導致生長模式的改變和剝離失敗。這些結果舉例說明了生長模板的化學和地形特性對于成功的遠程外延的重要性。這是III族氮化物基遠程外延的關鍵因素之一，這些結果有望對僅使用MOCVD實現完全遠程外延有很大幫助。
圖1.GaN遠程異質外延和剝離。（a） AlN模板上GaN遠程異質外延的示意圖，包括剝離和石墨烯熱退火測試。（b） 與溫度相關的GaN生長過程圖。
圖2:石墨烯熱退火試驗。（a） 根據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取向的GaN晶粒，黃色箭頭是平面內排列。所有比例尺均為4μm。
圖4.在第二個GaN生長步驟之后的XRD數據以確認結晶度。（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） 距離凹坑幾微米遠的ABF圖像（（a）的藍色虛線框）。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。紫色結構是受AlN凹坑影響的GaN核。紅色箭頭是預期的GaN生長方向。（c） 初始生長和結晶后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。石墨烯轉移前的AlN模板。比例尺，1.5厘米。GIST允許在背景上使用GIST標志。（b） 同一模板中心區域的顯微鏡圖像。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。紅色填充的虛線區域是石墨烯預計在第二GaN生長步驟期間被損壞的地方。受損區域可能比虛線區域還要大。
相關研究成果由光州科學技術研究所Dong-Seon Lee等人2023年發表在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。
轉自《石墨烯研究》公眾號
