外延石墨烯中二维GaNx形成机理

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2024-05-23 11:09:18

外延石墨烯中二维GaNx形成机理

通过将Ga嵌入SiC上的外延石墨烯（EG）中，然后在氨中氮化，可以形成超薄2D GaN_x。而石墨烯中的缺陷可以有效实现插层，但缺陷的性质和作用仍然尚未明确。近日，宾夕法尼亚州立大学Joan M. Redwing结合实验和理论研究，研究了石墨烯层厚度和化学功能化对Ga嵌入和2D GaN_x形成的影响。

本文要点：

1) 当石墨烯暴露于空气或He/O₂等离子体时，与未经化学改性的较厚区域相比，SiC上台阶附近石墨烯的薄缓冲层区域容易被氧功能化。作者发现氧官能化能够抑制Ga插层，使Ga液滴在表面上积聚。相比之下，Ga在不含氧的较厚石墨烯区域中容易插在EG和SiC之间。

2) 当在Ga暴露后立即进行NH₃退火时，仅在氧官能化区域中观察到2D GaN_x的形成，并且插在较厚非官能化石墨烯下的Ga不能转化为GaN_x。密度泛函理论计算表明，石墨烯的氧官能化改变了Ga和NH₃与石墨烯表面的结合能。石墨烯上羟基的存在抑制了Ga与表面的结合；然而，它增强了石墨烯表面对NH₃的化学反应性，即NH₃反过来增强了Ga结合并促进了2D GaN_x的形成。通过修改EG工艺以生产氧官能化缓冲层石墨烯，作者在整个衬底表面上获得了均匀插入的2D GaN_x。