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Einfluss des Siliziumkarbid-Substrates auf die Graphen-Dotierung aufgedeckt

03.12.2020

Bei der Entwicklung von elektrischen Quantenwiderstandsnormalen aus Graphen kommt es entscheidend darauf an, die Ladungsträgerdichte gezielt und exakt einzustellen. In einer kürzlich abgeschlossenen Untersuchung im Rahmen des von der PTB koordinierten Europäischen Metrologieforschungsprojekts „GIQS“ (Graphene Impedance Quantum Standard) konnte erstmals gezeigt werden, dass die Graphen-Dotierung sehr empfindlich auf die oberflächennahen Schichten im Siliziumkarbid (SiC)-Substrat reagiert. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Advanced Functional Materials“ publiziert.

 

 

Zukünftige elektrische Quantennormale für die Widerstands- und Impedanzeinheit ‚Ohm‘ sollen auf Basis von epitaktischem Graphen gefertigt werden. Die Materialeigenschaften versprechen vereinfachte Messbedingungen für den Anwender, nämlich die Möglichkeit des Betriebs bei höheren Temperaturen und niedrigeren Magnetfelder als mittels herkömmlicher Halbleiterproben. Entscheidenden Einfluss auf diese Parameter hat die Ladungsträgerdichte im Graphen, weshalb auch die Untersuchung des Dotierverhaltens einen breiten Raum bei der Entwicklung derartiger Quantennormale einnimmt.


Bekannt ist, dass die intrinsische Dotierung einer Graphen-Schicht sich aus der Balance zweier gegenläufiger Effekte ergibt: der Polarisierung im SiC-Substrat und den Donator-Eigenschaften der Grenzfläche zwischen Substrat und Graphen. Im Rahmen der nun publizierten Untersuchungen wurde erstmals gezeigt, dass auch die Stapelfolge der oberen, grenznahen SiC-Lagen im Substrat die Austrittsarbeit und damit das Dotierniveau beeinflusst. Bei den üblichen 6H-SiC-Substraten bilden sich auf der Substrat-Oberfläche in der Regel zwei Terrassentypen mit unterschiedlicher atomarer Stapelfolge aus. Der unterschiedliche Einfluss auf die darüberliegende Graphenschicht konnte mit verschiedenen Messmethoden nachgewiesen werden: mittels Rasterkraft- und Kelvinprobe-Mikroskopie, Niederenergie- und Röntgen-Photoemissions-Elektronenmikroskopie. Die unterschiedlichen Untersuchungen erfolgten im Rahmen einer Kooperation mit Wissenschaftlern der Universität Chemnitz und dem MAXIV Laboratorium in Lund (Schweden). Die entsprechende Publikation ist kürzlich erschienen und kostenfrei online zugänglich.

Veranschaulichungen der unterschiedlichen Dotierung in Graphen auf den Siliziumkarbid-Terrassen anhand einer Kelvinprobe-Messung, des Potentialverlaufs und eines Strukturmodels für epitaktisches Graphen auf Siliziumkarbid

 

Bild: Veranschaulichungen der unterschiedlichen Dotierung in Graphen auf den Siliziumkarbid-Terrassen anhand einer Kelvinprobe-Messung, des Potentialverlaufs und eines Strukturmodels für epitaktisches Graphen auf Siliziumkarbid (künstlerische Darstellung). Für Detailerklärungen siehe Originalveröffentlichung.

 

Veröffentlichung:
D. Momeni Pakdehi et al., Adv. Funct. Mater. 2020, 2004695

 

 

 

Fachbereich 2.5 „Halbleiterphysik und Magnetismus“