Published December 10, 2024
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Graphene growth on bulk substrates : from CVD on SiC to MBE on Ge
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Description
Graphene, a single layer of sp2-bonded carbon atoms in a hexagonal lattice, has fascinated scientists since pioneering works by Andre Geim and Walt de Heer's groups in 2004. Graphene's exceptional properties, including high electron mobility and optical transparency, make it promising for various applications in electronics and optoelectronics.This thesis aims to grow graphene on germanium, a substrate that could be used instead of silicon for future electronic devices such as MOSFETs, and which also has the advantage, unlike silicon, of not forming strong bonds with carbon. Two growth methods were studied: chemical vapor deposition (CVD), which is a priori more suitable for production, and molecular beam epitaxy (MBE) to benefit from in-situ monitoring tools. This work began with a study of graphene growth by CVD on the reference substrate, silicon carbide (SiC). Previous work has already highlighted the significant effects of hydrogen during graphene growth, allowing the formation of both a monolayer on a buffer layer or a multilayer on a hydrogenated interface. Here, we have also demonstrated strong effects of hydrogen during cooling, and then developed cooling under argon to avoid them. This allowed us to observe and study the stages of graphene growth on a buffer layer and to demonstrate self-limitation of growth to a monolayer, thus facilitating the growth of uniform graphene films. Finally, we studied how graphene formed on different types of SiC surfaces and offcuts, showing that uniformity and reproducibility were mainly limited by variations in residual misorientation of SiC substrates. On germanium, CVD also allowed the growth of nanometer-sized graphene domains, but optimization of surface preparation and growth did not allow for extending the size of these domains.This work then focused on the growth of graphene on germanium by MBE. Before growing graphene, we developed an appropriate cleaning process for the germanium surface in the MBE chamber. We found that heating the germanium to 600°C effectively removed unwanted oxides and sub-oxides from the surface. However, to ensure an atomically clean surface immediately prior to graphene deposition, we developed a two-step cleaning process based on an initial 30-minute annealing at 750°C, followed by a 5-minute flash annealing conducted at the intended growth temperature. Our research showed that by using growth temperatures of approximately 920°C, which is near the melting point of germanium (937°C), we were able to produce graphene. Transmission Electron Microscopy (TEM) and Raman spectroscopy techniques were used to study the quality of the graphene obtained. While we were able to grow graphene successfully, determining the exact number of graphene layers proved challenging. To improve our results, we used different growth times and temperatures, and found that higher temperatures generally produced better quality graphene, even if our best samples still had some defects. Finally, we tried to grow heterostructures of potential interest for applications such as germanium on top of graphene-capped germanium, which could lead to new ways of making flexible electronic devices, or graphene on SiGe, interesting for photodetector applications.
Abstract (French)
Le graphène, une monocouche d'atomes de carbone hybridés sp2 dans un réseau hexagonal, fascine les scientifiques depuis les travaux pionniers des groupes d'André Geim et Walt de Heer en 2004. Les propriétés exceptionnelles du graphène, notamment sa mobilité électronique élevée et sa transparence optique, en font un matériau prometteur pour diverses applications en électronique et optoélectronique. Cette thèse vise la croissance du graphène sur germanium, un substrat qui pourrait être utilisé à la place du silicium pour les futurs dispositifs électroniques tels que les MOSFET, et qui présente par ailleurs l'avantage, contrairement au silicium, de ne pas former de liaisons fortes avec le carbone. Deux méthodes de croissances ont été étudiées : le dépôt chimique en phase vapeur (CVD), a priori plus adaptée à la production, et l'épitaxie par jets moléculaires (MBE) pour bénéficier des outils de suivi in-situ. Ce travail a commencé par une étude de la croissance du graphène par CVD sur le substrat de référence qu'est le carbure de silicium (SiC). Des travaux antérieurs ont déjà souligné les effets importants de l'hydrogène pendant la croissance du graphène, permettant de former à la fois une monocouche sur une couche tampon ou une multicouche sur une interface hydrogénée. Ici, nous avons également mis en évidence de forts effets de l'hydrogène pendant le refroidissement, puis développé un refroidissement sous argon permettant de les éviter. Cela nous a permis d'observer et d'étudier les étapes de la croissance du graphène sur une couche tampon et de mettre en évidence une autolimitation de la croissance à une monocouche, facilitant ainsi la croissance de films uniformes de graphène. Enfin, nous avons étudié comment le graphène se formait sur différents types de surfaces et de désorientation du SiC, mettant en évidence que l'uniformité et la reproductibilité étaient principalement limitées par les variations de désorientation résiduelle des substrats de SiC. Sur germanium, la CVD a également permis de faire croître des domaines de graphène de taille nanométrique, mais l'optimisation de la préparation de surface et de la croissance n'ont pas permis d'étendre la taille de ces domaines. Ce travail s'est ensuite focalisé sur la croissance de graphène sur germanium par MBE. Avant de faire croître le graphène, nous avons développé un nettoyage approprié de la surface du germanium dans la chambre MBE. Nous avons constaté que le chauffage du germanium à 600°C éliminait efficacement les oxydes et sous-oxydes indésirables de la surface. Cependant, pour garantir une surface atomiquement propre juste avant le dépôt de graphène, nous avons développé un processus de nettoyage en deux étapes basées sur un recuit initial de 30 minutes à 750°C, suivi d'un recuit flash de 5 minutes effectué à la température de croissance prévue. Nos recherches ont montré qu'en utilisant des températures de croissance d'environ 920°C, proches du point de fusion du germanium (937°C), nous avons pu produire du graphène. Les techniques de microscopie électronique à transmission (TEM) et de spectroscopie Raman ont été utilisées pour étudier la qualité du graphène obtenu. Bien que nous ayons réussi à faire croître du graphène, la détermination du nombre exact de couches de graphène s'est avérée difficile. Pour améliorer nos résultats, nous avons utilisé différents temps et températures de croissance, et constaté que des températures plus élevées produisaient généralement du graphène de meilleure qualité, même si nos meilleurs échantillons présentaient encore quelques défauts. Enfin, nous avons essayé de faire croître des hétérostructures potentiellement intéressantes pour des applications telles que le germanium sur du germanium recouvert de graphène, ce qui pourrait conduire à de nouvelles façons de fabriquer des dispositifs électroniques flexibles, ou du graphène sur SiGe, intéressant pour les applications en photodétection.Additional details
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- https://theses.hal.science/tel-04928082
- URN
- urn:oai:HAL:tel-04928082v1
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