Design of 2D heterostructures by crystal growth

通过晶体生长设计二维异质结构

• 批准号: 21H01768
• 负责人: 日比野 浩樹
• 金额: $ 11.56万
• 依托单位: Kwansei Gakuin University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H01768/
• 关键词: 二次元物質; 化学気相成長; グラフェン; 六方晶窒化ホウ素; ヘテロ構造; 結晶成長; 二次元物質; 化学気相成長; グラフェン; 六方晶窒化ホウ素; ヘテロ構造; 結晶成長

我々はこれまで、Cu基板上で、グラフェンと六方晶窒化ホウ素（hBN）を化学気相成長（CVD）させる順序によって、それらの横型と縦型のヘテロ構造を作り分けられることを実験的に示し、その起源が、エッジが水素原子で終端されているかどうかの違いにあることを理論的に解明した。ただし、同様の水素雰囲気下にあるにもかかわらず、エッジ構造に差が出る理由は未解明であった。そこで、第一原理計算に基づきエッジへの水素原子の吸着エネルギーをグラフェンとhBNで比較した。その結果、エネルギー差はファンデルワールス力補正に依存するものの、グラフェン/金属系で広く用いられている補正によって、hBNがグラフェンに比べ水素終端されやすいことが確認された。また、均一な縦型ヘテロ構造の作製への課題となっていたグラフェン成長中のhBNのエッチングを、炭素源ガスとしてCH4の代わりにC2H4を用いることで回避できることを示した。ただし、グラフェンの結晶性がCH4を用いた場合に比べ劣化したため、今後、成長条件の最適化が必要である。絶縁体基板上に2Dヘテロ構造をCVD法で直接成長させるための第一歩として、さまざまな面方位（c面、a面、m面、r面）のサファイア上にグラフェンを直接成長させ、構造と物性を比較した。4種類のサファイア上に成長させたグラフェンはすべて単層で多結晶状態にあったが、その結晶粒サイズは面方位に依存し、m面が最大で、c面が最小であった。この結果は、m面上に成長させたグラフェンが最も高いキャリア移動度を示したこととも整合する。次に、ｃ面とm面上に成長させたグラフェンの成長時間依存性から、それらの成長機構が大きく異なり、ｃ面上ではグラフェン島が徐々に拡大し基板全面を覆いつくす一方、m面上では短時間でグラフェンが基板全面を覆いつくした後、単層のまま結晶粒が拡大することを明らかにした。

我们经过实验表明，可以通过化学蒸气沉积（CVD）在Cu底物上产生石墨烯和六角硼（HBN），并且理论上阐明了它们的起源在用氢原子终止的边缘是否有所不同。但是，尽管处于相似的氢气大气中，但边缘结构差异的原因尚未澄清。因此，基于第一个原理计算，将边缘氢原子的吸附能与石墨烯和HBN进行了比较。结果，尽管能量差异取决于范德华力校正，但由于广泛用于石墨烯/金属系统中广泛使用的校正，HBN比石墨烯更有可能被氢化。此外，已经表明，可以通过使用C2H4代替CH4作为碳源气体来避免使用石墨烯生长过程中HBN的蚀刻，这是制造均匀垂直异质结构的挑战。但是，由于与使用CH4的情况相比，石墨烯的结晶度恶化了，因此有必要在将来优化生长条件。作为通过使用CVD方法直接在绝缘子底物上直接生长2D异质结构的第一步，将石墨烯直接生长在具有各种平面方向（C平面，A平面，M平面，R平面，R平面）和结构和物理特性的sapphires上。在四种类型的蓝宝石上生长的所有石墨烯都是单层的，并且处于多晶状态，但晶粒尺寸取决于平面的方向，其中M平面是最大的，而C平面是最小的。该结果与在M平面上生长的石墨烯表现出最高的载体迁移率这一事实一致。接下来，揭示了在C平面和M平面上生长的石墨烯的生长机制与C-Plane上生长的石墨烯的生长时间依赖性有很大不同，并且尽管石墨烯逐渐扩展以覆盖M平面上的整个底物，但晶体晶粒的扩展为单层。