Graphen auf SiC: Herstellung, elektronische Struktur und Anwendungen als Transistor
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Gegenstand des Projekt waren die Herstellung von epitaktischem Graphen (EG) auf der Oberflächen von Siliziumkarbid (SiC), die Untersuchung seiner Eigenschaften und die Entwicklung eines Prozesses für die Herstellung von Graphen-Transitoren mit einem im SiC-Substrat vergrabenen Gate. Das im Vorfeld des Projektes bekannte Herstellungsverfahren von EG auf SiC, bei dem durch Heizen der Probe eine oberflächliche Graphitisierung des Substrates induziert wird, wurde durch einen Wechsel von der bis dahin verwendeten Vakuum-Umgebung zu einer Argon-Atmosphäre entscheidend verbessert. Die strukturellen Verbesserungen der EG-Proben aus dem neuen Verfahren gehen einher mit verbesserten elektronischen Transporteigenschaften. Die in dem neuen Züchtungsverfahren hergestellten Graphenschichten besitzen hervorragende Eigenschaften und können bei geeigneter Prozessierung mit exfoliierten Graphenflocken auf Siliziumsubstraten mithalten. Ein weiterer Meilenstein war der Nachweis des für Graphen typischen Quanten-Hall-Effektes in EG welcher den Beweis dafür liefert, dass die Ladungsträger in EG der gleichen Physik gehorchen wie diejenigen in Graphen-Flocken. Im Rahmen des Projektes wurden außerdem quasi-freistehende Graphenlagen auf SiC ausführlich untersucht. Diese werden durch einen speziellen Herstellungsprozess unter Zuhilfenahme von Wasserstoff-Interkalation hergestellt und besitzen gegenüber den normalen epitaktischen Graphenlagen verbesserte Transporteigenschaften, insbesondere eine von der Temperatur unabhängige Ladunsgträgerbeweglichkeit. Unter Verwendung des quasi-freistehenden Graphenlagen wurden die avisierten Graphentransistoren hergestellt und untersucht. Weitere Untersuchungen zu Magnetotransport in den verschiedenen Graphen-Systemen führten zu einem detaillierten Verständnis der Tieftemperatureigenschaften und von Wechselwirkungseffekten von Ladungsträgern in Graphen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Atomic and electronic structure of few-layer graphene on SiC(0001) studied with scanning tunneling microscopy and spectroscopy. Phys. Rev. B 77, 155426 (2008)
P. Lauffer, K. V. Emtsev, R. Graupner, Th. Seyller, L. Ley, S. A. Reshanov, H. B. Weber
- Local work function measurements of epitaxial graphene. Appl. Phys. Lett. 93 (2008) 133117
T. Filleter, K. V. Emtsev, T. Seyller, R. Bennewitz
- Towards wafer-size graphene layers by atmospheric pressure graphitization of silicon carbide. Nat. Mater. 8 (2009) 203
K. V. Emtsev, A. Bostwick, K. Horn, J. Jobst, G. L. Kellogg, L. Ley, J. L. McChesney, T. Ohta, S. A. Reshanov, J. Roehrl, E. Rotenberg, A. K. Schmid, D. Waldmann, H. B. Weber, T. Seyller
- Automated preparation of high quality epitaxial graphene on 6H-SiC(0001). Phys. Stat. Sol. B 247, 2924 (2010)
M. Ostler, F. Speck, M. Gick, Th. Seyller
- Observation of plasmarons in quasi-freestanding doped graphene. Science 328 (2010) 999
A. Bostwick, F. Speck, T. Seyller, K. Horn, M. Polini, R. Asgari, A. H. MacDonald, E. Rotenberg
- Quantum oscillations and quantum hall effect in epitaxial graphene. Phys. Rev. B 81 (2010) 195434
J. Jobst, D. Waldmann, F. Speck, R. Hirner, D. K. Maude, T. Seyller, H. B. Weber
- Bottom-gated epitaxial graphene. Nat. Mater. 10 (2011) 357
D. Waldmann, J. Jobst, F. Speck, T. Seyller, M. Krieger, H. B. Weber
- The quasi-free-standing nature of graphene on H-saturated SiC(0001). Applied Physics Letters 99 (2011) 122106
F. Speck, J. Jobst, F. Fromm, M. Ostler, D. Waldmann, M. Hundhausen, H. B. Weber, T. Seyller
- Implanted bottom gate for epitaxial graphene on silicon carbide. Journal of Physics D 45, (2012) 154006
D. Waldmann, J. Jobst, F. Fromm, F. Speck, T. Seyller, M. Krieger, H. B. Weber
(Siehe online unter https://doi.org/10.1088/0022-3727/45/15/154006)
