江蘇大學《Mater Des》:氮化矽襯底對石墨烯的性能影響!

石墨烯是由單層碳原子通過SP2鍵連接構成的類蜂窩狀六方點陣二維晶體，它具有獨特的能帶結構以及優異的物理性能，自被發現以來吸引了眾多研究者的廣泛關注。通過石墨烯複合襯底材料可實現其光學性能、力學性能及電學性能調控，對提高石墨烯器件應用價值具有重要意義。由於氮化矽薄膜具有在同等體積下較小的質量和良好的光學性能等特點，被廣泛應用於力和質量傳感器。通過改變氮化矽表面形貌對石墨烯/氮化矽複合材料性能進行調控，對於石墨烯/氮化矽複合材料器件的設計具有重要的理論和工程價值。

近日，江蘇大學葛道晗研究團隊通過化學氣相沉積法和幹法刻蝕製備出一種具有一定深度的氮化矽襯底，並採用溼法轉移將石墨烯轉移到不同形貌的襯底上，得到石墨烯/氮化矽複合材料。同時藉助拉曼光譜、原子力顯微鏡等手段，研究了不同形貌的氮化矽襯底對該複合材料性能的影響。相關論文以題為「Effect of patterned silicon nitride substrate on Raman scattering and stress of graphene」發表在Materials and Design。

論文連結：

https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.109338

在這項研究中，通過蝕刻工藝將光掩模上的圖案（孔和溝槽）轉移到氮化矽（Si3N4）襯底上，使用掃描電子顯微鏡（SEM）和原子力顯微鏡（AFM）對具有不同圖案的Si3N4進行了表徵（圖1），一種是晶格常數3μm和直徑1.5μm點的三角形陣列，另一種是寬2μm和間距4μm的平行溝槽，兩種圖案的深度均約為500 nm。AFM測量得到孔底部的Ra為13.99nm，而溝槽底部的Ra為7.12nm，表明溝槽的底部更平滑。採用溼法轉移將石墨烯轉移到兩種圖案化的Si3N4襯底上，SEM表徵顯示石墨烯完全覆蓋了襯底（圖2），得到孔陣列石墨烯（H-石墨烯）和溝槽陣列石墨烯（T-石墨烯）。石墨烯呈現出與圖案化的Si3N4襯底一致的表面形態，並且沉積到了孔和溝槽中，而不是懸浮在孔和溝槽上。

圖1 SEM和AFM對圖案化的Si3N4襯底進行表徵。

圖2石墨烯覆蓋圖案化Si3N4襯底的SEM圖像：（a）孔陣列上的石墨烯（H-石墨烯）；（b）溝槽陣列上的石墨烯（T-石墨烯）。

拉曼光譜（圖3）顯示，石墨烯G峰與2D峰的強度之比小於0.5，表明在孔陣列和溝槽陣列的Si3N4襯底上是單層石墨烯。拉曼特徵峰在很大程度上取決於圖案的形態和粗糙度，具有不同圖案Si3N4襯底上的石墨烯應變是2D峰（圖4）和G峰（圖5）紅移的主要原因。研究了圖案化的Si3N4的表面形態和粗糙度對拉曼散射和石墨烯力學性能的影響，拉曼光譜分析表明，圖案化區域的形態和大小對石墨烯的拉伸應變的影響遠大於表面粗糙度的作用。儘管孔的表面粗糙度較大，但具有較大表面積的溝槽中，石墨烯的應變（0.32%至0.54％）大於孔中的應變（0.2%至0.24％）。此外，研究了圖案深度對石墨烯的拉曼峰位移的影響（圖6）。深度為600nm的H-石墨烯的2D峰相對於深度為500nm的H-石墨烯偏移增加了約5cm-1。可以計算出H-石墨烯（深度600nm）的拉伸應變在0.25％和0.42%之間，比H-石墨烯（深度500nm）高。結果表明，石墨烯的性能受Si3N4的圖案深度控制，深度的增加導致2D峰的紅移更高，石墨烯的應變更大。

圖3 H-石墨烯（黑色實線），T-石墨烯（藍色實線）和Si3N4襯底（紅色實線）的拉曼光譜。

圖4拉曼光譜的2D峰差異：（a）掃描區域和（b）H-石墨烯中三個代表點的2D峰；

（c）掃描區域和（d）T-石墨烯中三個代表點的2D峰。

圖5（a）H-石墨烯和（b）T-石墨烯的拉曼光譜的G峰。紅移的大小分別為4.8cm-1和9.8cm-1。

圖6 H-石墨烯（深度為600nm）中三個代表點的2D峰。

理解圖案化Si3N4襯底的微觀形狀特徵對石墨烯機械性能的影響在微納器件的製備中起著重要作用。本文的工作結果對基於石墨烯的器件設計具有一定的指導意義。

*感謝論文作者團隊對本文的大力支持。

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