研究により、単層ハニカムSiCを実現するための新しい合成技術が特定されました

Feb 15, 2024

2023年3月13日の特集

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イングリッド・ファデリ著、Phys.org

炭化ケイ素 (SiC) は、ケイ素と炭素の硬質結晶性化合物で、自然界にはほとんど存在せず、通常は合成的に製造されます。 SiC はセラミック板、防弾チョッキ、その他の商品の製造に使用されるほか、半導体であり、導体と絶縁体の中間程度の適度な導電性を有する材料です。

物理学者と材料科学者は、この半導体の特性を数十年にわたって研究してきました。 他の材料と同様に、SiC はさまざまな物理的形態 (つまり、同素体) で存在する可能性があり、その 2D 同素体はこれまでのところとらえどころがなく、主に仮説が立てられています。

理論的予測によれば、この半導体の 2D 同素体は 2.5 eV の大きな直接バンドギャップと高い化学的多様性を持ち、周囲条件で安定であると考えられます。 しかし、既存の研究では 2D SiC の無秩序なナノフレークのみが報告されているため、これまでのところ、これは経験的に検証されていません。

ルンド大学、チャルマーズ工科大学、リンシェーピング大学の研究者らは最近、SiC基板上に配置された極薄遷移金属炭化物膜上に単結晶エピタキシャル単層ハニカムSiCを合成することに成功した。 Physical Review Letters に掲載された彼らの論文では、SiC のとらえどころのない同素体の大面積かつボトムアップ合成のための有望な技術が紹介されています。

「私たちの共同研究者らは、SiC基板上の遷移金属炭化物薄膜の研究に興味を持っています」と、この研究を実施した研究者の一人、Craig Polley氏はPhys.orgに語った。 「グラフェンがSiC上のオーバーレイヤを介して成長できることはすでに知られており、これを実現して金属炭化物フィルム上にグラフェンカプセル化層を作成することが期待されていました。したがって、私たちが関与した最初のポイントは、その特性を研究することでした。この成長したグラフェン層の様子です。」

したがって、当初、ポーリーと彼の同僚は、金属炭化物フィルム上に形成されたグラフェンカプセル化層の特性を調査しようとしていました。 しかし、ARPES (角度分解光電子分光法) として知られる技術を使用してこの層の特性を特徴づけようとしたところ、グラフェンで観察されるスペクトルとは似ていない、非常に印象的で魅力的なスペクトルが観察されました。

「最終的に、サンプルにはグラフェンが存在しないことが判明した」とポーリー氏は語った。

「この謎の表面が何であるかを特定するまでには、多くの測定と計算が必要でした。そして、それがハニカム SiC であることが判明したときは、うれしい驚きでした。それは私たちの計画では決してなかったことです。」

ポーリー氏と彼の同僚は、単層ハニカム SiC の成長の成功を支えるプロセスの詳細をまだ理解していません。 それにもかかわらず、彼らはその合成を可能にする技術を特定することができました。

基本的に、この技術には、SiC 基板の上に遷移金属炭化物の薄膜を配置することが必要です。 この材料スタックが十分に高い温度でアニールされると、金属炭化物は無傷のままで SiC が分解し、Si 原子と C 原子が表面に移動します。

「十分に高温でアニールすると、Si が残り、C が再結晶してグラフェンになります。これは、プレーン SiC 上に高品質のグラフェン層を成長させるためのよく知られた技術です」とポーリー氏は説明しました。 「しかし、適切なアニーリング条件では、Si と C が表面に残るだけでなく、再結晶化してハニカム SiC になることがわかりました。これまで、大面積の単結晶ハニカム SiC を作成する方法は知られていませんでした。全然効くよ！」