연구에서는 단층 벌집형 SiC를 얻기 위한 새로운 합성 기술을 확인했습니다.

Feb 15, 2024

2023년 3월 13일 특집

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잉그리드 파델리(Ingrid Fadelli), Phys.org

탄화규소(SiC)는 자연계에서 거의 발생하지 않는 규소와 탄소의 단단한 결정질 화합물로, 일반적으로 합성으로 생산됩니다. SiC는 세라믹 판, 방탄 조끼 및 기타 상용 제품을 만드는 데 사용되는 것 외에도 도체와 절연체 사이의 중간 정도의 전기 전도성을 갖는 반도체 소재입니다.

물리학자들과 재료 과학자들은 수십 년 동안 이 반도체의 특성을 조사해 왔습니다. 다른 재료와 마찬가지로 SiC는 다양한 물리적 형태(예: 동소체)로 존재할 수 있으며, SiC의 2D 동소체는 지금까지 파악하기 어렵고 주로 가설로 남아 있습니다.

이론적 예측에 따르면, 이 반도체의 2D 동소체는 2.5eV의 큰 직접 밴드 갭과 높은 화학적 다양성을 가지며 주변 조건에서 안정적일 것입니다. 그러나 기존 연구에서는 2D SiC의 무질서한 나노플레이크만 보고되었기 때문에 지금까지 이는 경험적으로 검증되지 않았습니다.

Lund University, Chalmers University of Technology 및 Linköping University의 연구원들은 최근 SiC 기판에 배치된 초박형 전이 금속 탄화물 필름 위에 단결정 에피택셜 단층 벌집형 SiC를 합성할 수 있었습니다. Physical Review Letters에 게재된 그들의 논문은 SiC의 파악하기 어려운 동소체의 대면적 및 상향식 합성을 위한 유망한 기술을 소개합니다.

이번 연구를 수행한 연구원 중 한 명인 Craig Polley는 “우리 공동 연구자들은 SiC 기판의 얇은 전이 금속 탄화물 필름을 연구하는 데 관심이 있습니다.”라고 Phys.org에 말했습니다. "그래핀이 SiC의 오버레이층을 통해 '성장'할 수 있다는 것은 이미 알려져 있었으며 이를 수행하여 금속 탄화물 필름 위에 그래핀 캡슐화 층을 생성하는 것이 희망이었습니다. 따라서 우리가 참여한 원래 지점은 특성을 연구하는 것이었습니다. 성장한 그래핀 층의 모습입니다."

처음에 Polley와 그의 동료들은 금속 탄화물 필름 위에 형성된 그래핀 캡슐화 층의 특성을 조사하려고 노력했습니다. 그러나 ARPES(각도 분해 광전자 방출 분광학)로 알려진 기술을 사용하여 이 층의 특성을 특성화하려고 시도하는 동안 그들은 그래핀에서 관찰된 것과 유사하지 않은 매우 눈에 띄고 매혹적인 스펙트럼을 관찰했습니다.

"결국 샘플에는 그래핀이 없다는 것이 밝혀졌습니다"라고 Polley는 말했습니다.

"이 신비한 표면이 무엇인지 확인하기까지 많은 측정과 계산이 필요했으며, 그것이 벌집형 SiC로 밝혀졌을 때 우리는 기분 좋게 놀랐습니다. 그것은 결코 우리의 계획이 아니었기 때문입니다!"

Polley와 그의 동료들은 아직 단층 벌집형 SiC의 성공적인 성장을 뒷받침하는 프로세스의 모든 세부 사항을 이해하지 못했습니다. 그럼에도 불구하고 그들은 합성을 가능하게 하는 기술을 확인할 수 있었습니다.

기본적으로 이 기술은 SiC 기판 위에 전이 금속 탄화물의 얇은 필름을 배치하는 것을 수반합니다. 이 재료 스택이 충분히 높은 온도로 어닐링되면 SiC는 분해되고 금속 탄화물은 그대로 유지되며 Si 및 C 원자가 표면으로 이동합니다.

Si 잎과 C가 그래핀으로 재결정화될 만큼 충분히 뜨겁게 어닐링하면 이는 일반 SiC 위에 고품질 그래핀 층을 성장시키는 잘 알려진 기술이라고 Polley는 설명했습니다. "그러나 적절한 어닐링 조건에서는 Si와 C가 표면에 남을 뿐만 아니라 재결정화되어 벌집 모양의 SiC로 나타나는 것으로 나타났습니다. 지금까지 대면적의 단결정 벌집 모양의 SiC를 만드는 방법은 알려진 바가 없었습니다. 전혀 작동합니다!"