Studie identifiziert eine neue Synthesetechnik zur Herstellung von einschichtigem Waben-SiC

Feature vom 13. März 2023

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von Ingrid Fadelli, Phys.org

Siliziumkarbid (SiC) ist eine harte kristalline Verbindung aus Silizium und Kohlenstoff, die in der Natur selten vorkommt und im Allgemeinen synthetisch hergestellt wird. SiC wird nicht nur zur Herstellung von Keramikplatten, kugelsicheren Westen und anderen kommerziellen Produkten verwendet, sondern ist auch ein Halbleiter, ein Material mit einer mäßigen elektrischen Leitfähigkeit, die zwischen der von Leitern und Isolatoren liegt.

Physiker und Materialwissenschaftler erforschen seit Jahrzehnten die Eigenschaften dieses Halbleiters. Wie andere Materialien kann SiC in verschiedenen physikalischen Formen (d. h. Allotropen) existieren, und sein zweidimensionales Allotrop ist bisher schwer fassbar und wurde hauptsächlich hypothetisch angenommen.

Theoretischen Vorhersagen zufolge hätte das 2D-Allotrop dieses Halbleiters eine große direkte Bandlücke von 2,5 eV und eine hohe chemische Vielseitigkeit und wäre unter Umgebungsbedingungen stabil. Bisher konnte dies jedoch nicht empirisch bestätigt werden, da bestehende Studien nur über ungeordnete Nanoflocken aus 2D-SiC berichteten.

Forschern der Universität Lund, der Technischen Universität Chalmers und der Universität Linköping gelang es kürzlich, monokristallines epitaktisches Monoschicht-Waben-SiC auf ultradünnen Übergangsmetallkarbidfilmen auf SiC-Substraten zu synthetisieren. Ihr in Physical Review Letters veröffentlichtes Papier stellt eine vielversprechende Technik für die großflächige Bottom-up-Synthese des schwer fassbaren Allotrops von SiC vor.

„Unsere Mitarbeiter sind daran interessiert, dünne Übergangsmetallkarbidfilme auf SiC-Substraten zu untersuchen“, sagte Craig Polley, einer der Forscher, die die Studie durchgeführt haben, gegenüber Phys.org. „Es war bereits bekannt, dass Graphen „durch“ Überschichten auf SiC gezüchtet werden kann, und die Hoffnung bestand darin, dies zu tun und eine Graphen-Einkapselungsschicht über den Metallkarbidfilmen zu schaffen. Daher war der ursprüngliche Punkt, an dem wir uns engagierten, die Untersuchung der Eigenschaften dieser gewachsenen Graphenschicht.“

Polley und seine Kollegen versuchten zunächst, die Eigenschaften einer Graphen-Einkapselungsschicht zu untersuchen, die über Metallkarbidfilmen gebildet wurde. Als sie jedoch versuchten, die Eigenschaften dieser Schicht mithilfe einer Technik namens ARPES (winkelaufgelöste Photoemissionsspektroskopie) zu charakterisieren, beobachteten sie sehr auffällige und faszinierende Spektren, die nicht denen von Graphen ähnelten.

„Schließlich stellte sich heraus, dass die Proben kein Graphen enthielten“, sagte Polley.

„Es bedurfte vieler Messungen und Berechnungen, bevor wir diese mysteriöse Oberfläche identifizieren konnten, und wir waren angenehm überrascht, als sich herausstellte, dass es sich um Waben-SiC handelte, denn das war nie unser Plan!“

Polley und seine Kollegen müssen noch alle Details des Prozesses verstehen, der dem erfolgreichen Wachstum von einschichtigem Waben-SiC zugrunde liegt. Dennoch konnten sie eine Technik identifizieren, die seine Synthese ermöglicht.

Bei dieser Technik wird im Wesentlichen ein dünner Film aus Übergangsmetallkarbid auf ein SiC-Substrat aufgebracht. Wenn dieser Materialstapel auf ausreichend hohe Temperaturen getempert wird, zersetzt sich das SiC, während das Metallkarbid intakt bleibt und die Si- und C-Atome an die Oberfläche wandern.

„Wenn man heiß genug glüht, verlässt das Si und das C rekristallisiert zu Graphen – und das ist eine bekannte Technik, um hochwertige Graphenschichten auf einfachem SiC wachsen zu lassen“, erklärte Polley. „Aber bei den richtigen Glühbedingungen stellt sich heraus, dass Si und C nicht nur an der Oberfläche verbleiben, sondern auch zu wabenförmigem SiC rekristallisieren. Bislang gab es keine bekannte Methode zur Herstellung großflächiger, einkristalliner wabenförmiger SiC, daher waren wir überrascht, dass dies der Fall war.“ funktioniert überhaupt!“

Die Forscher führten außerdem weitere Analysen durch, um zu bestätigen, dass es sich bei der einzigartigen Oberfläche, die sie beobachteten, tatsächlich um die 2D-Phase von SiC handelte. Nachdem sie dies bestätigt hatten, untersuchten sie seine Eigenschaften, um frühere theoretische Vorhersagen zu bestätigen. Interessanterweise stellten sie fest, dass das SiC in dieser 2D-Phase nahezu planar und bei hohen Temperaturen (bis zu 1.200 °C im Vakuum) stabil war.

„Die wichtigsten Beiträge hierzu sind die Entdeckung einer neuen Synthesetechnik und die tiefgreifende Detektivarbeit, die zur schlüssigen Identifizierung dieser mysteriösen Oberfläche als wabenförmiges SiC führte“, sagte Polley.

Diese aktuelle Studie von Polley und seinen Kollegen ist lediglich ein erster Schritt in der experimentellen Untersuchung des 2D-Allotrops von SiC, da zusätzliche Arbeiten erforderlich sind, um die beobachtete Schicht effektiv von ihrem darunter liegenden Substrat zu isolieren. Dennoch ist die von ihnen entdeckte Synthesetechnik ein bemerkenswerter Meilenstein, der den Weg zu diesem Ziel ebnet.

„Eines der Dinge, worüber wir mehr erfahren möchten, ist, ob es irgendetwas tun könnte, um es vom Substrat zu entkoppeln, indem man zum Beispiel versucht, andere Spezies wie Wasserstoff zwischen SiC und TaC einzulagern“, fügte Polley hinzu. „Dieser Trick funktioniert mit Graphen auf SiC, aber das ist jetzt ein neues Material und unerforschtes Gebiet.“

Mehr Informationen: CM Polley et al., Bottom-Up Growth of Monolayer Honeycomb SiC, Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.076203

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