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Schlagwörter:
silicon carbide, graphene, density-functional theory, surface reconstruction, ab initio suface phase diagram, van-der-Waals-bonded layered systems
Zusammenfassung:
Graphene with its unique properties spurred the design of nanoscale electronic
devices. Graphene films grown by Si sublimation on SiC surfaces are promising
material combinations for future graphene applications based on existing semiconductor
technologies. Obviously, the exact material properties of graphene
depend on the its interaction with the substrate. Understanding the atomic and
electronic structure of the SiC-graphene interface, is an important step to refine the
growth quality. In this work, computational ab initio methods based on densityfunctional
theory (DFT) are used to simulate the SiC-graphene interface on an
atomistic level without empirical parameters. We apply state-of-the-art densityfunctional
approximation (DFA), in particular the Heyd-Scuseria-Ernzerhof hybrid
functional including van-der-Waals dispersion corrections to address the weak
bonding between the substrate and graphene layers. DFA simulations allow to interpret
and complement experimental results and are able to predict the behaviour
of complex interface system.
Experimental work has shown that on the Si face of SiC, a partially covalently
bonded carbon layer, the zero-layer graphene (ZLG), grows as (6√3×6√3)-R30° commensurate periodic film. On top of the ZLG layer forms mono-layer graphene
(MLG) as large ordered areas and then few-layer graphene. By constructing an
ab initio surface phase diagram, we show that ZLG and MLG are at least near
equilibrium phases. Our results imply the existence of temperature and pressure
conditions for self-limiting growth of MLG key to the large-scale graphene production.
At the interface to the substrate, the Si atoms can be passivated by H
resulting in quasi-free-standing mono-layer graphene (QFMLG). We show that by
H intercalation both the corrugation and doping are reduced significantly. Our
calculations demonstrate that the electronic structure of graphene is influenced by
unsaturated Si atoms in the ZLG and therefore confirm that H intercalation is a
promising route towards the preparation of high-quality graphene films.
The situation on the C face of SiC is very different. In experiment, the growth of
large areas of graphene with well defined layer thickness is difficult. At the onset
of graphene formation a phase mixture of different surface phases is observed.
We will address the stability of the surface phases that occur on the C side of SiC.
However, the atomic structure of some of the competing surface phases, as well as
of the SiC-graphene interface, is unknown. We present a new model for the (3×3)
reconstruction – the Si twist model. The surface energies of this Si twist model, the
known (2×2)C adatom phase, and a graphene covered (2×2)C phase cross at the
chemical potential limit of graphite, which explains the observed phase mixture.
We argue that on the C face the formation of a well-controlled interface structure
like the ZLG layer is hindered by Si-rich surface reconstructions.
Zusammenfassung:
Die besonderen Eigenschaften von Graphen ermöglichen das Design von elektronischen Bauteilen im Nanometerbereich. Graphen kann auf der Oberfläche von Siliziumkarbonat (SiC) durch das Ausdampfen von Si epitaktisch gewachsen werden. Ein detailliertes Verständnis der atomaren und elektronischen Struktur der Grenzschicht zwischen Graphen und SiC ist ein wichtiger Schritt um die Wachstumsqualität zu verbessern. Wir nutzen Dichtefunktionaltheorie um das Hybridsystem Graphen-SiC auf atomarer Ebene zu beschreiben. Experimentelle Arbeiten auf der Si Seite von SiC haben gezeigt, dass die Grenzschicht (ZLG) durch eine teilweise kovalent gebundene Kohlenstofflage wächst; darüber bildet sich die erste Graphenlage (MLG). Durch das Konstruieren eines ab initio Oberflächenphasendiagrams zeigen wir, dass sowohl ZLG als auch MLG Gleichgewichtsphasen sind. Unsere Ergebnisse implizieren, dass Temperatur- und Druckbedingungen für den selbstbegrenzenden Graphenwachstum existieren. Wir zeigen, dass sich das Doping und die Riffellung von epitaktischem Graphene durch H-Interkalation reduzieren. Im Experiment unterscheidet sich das Graphenwachstum auf der C Seite qualitativ von der Si Seite. Zu Beginn des Graphenwachstums wird eine Mischung verschiedener Oberflächenphasen beobachtet. Wir diskutieren die Stabilität dieser konkurierenden Phasen. Die atomaren Strukturen von einigen dieser Phasen, inklusive der Graphen-SiC Grenzschicht, sind nicht bekannt wodurch die theoretische Beschreibung erschwert wird. Wir präsentieren ein neues Model für die bisher unbekannte (3x3) Rekonstruktion, das Si Twist Model. Die Oberflächenenergie vom Si Twist Model und von der bekannten (2x2)c Phase schneiden sich direkt an der Grenze zur Graphitbildung. Dies erklärt die experimentell beobachtete Phasenkoexistenz zu Beginn des Graphenwachstums. Wir schlussfolgern, dass auf der C Seite der kontrollierte Graphenewachstum durch Si-reiche Oberflächenphasen blockiert wird.
