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論文

Controls over structural and electronic properties of epitaxial graphene on silicon using surface termination of 3C-SiC(111)/Si

吹留 博一*; 阿部 峻佑*; 高橋 良太*; 今泉 京*; 猪俣 州哉*; 半田 浩之*; 齋藤 英司*; 遠田 義晴*; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; et al.

Applied Physics Express, 4(11), p.115104_1 - 115104_3, 2011/11

 被引用回数:34 パーセンタイル:80.78(Physics, Applied)

Epitaxial graphene on Si (GOS) using a heteroepitaxy of 3C-SiC/Si has attracted recent attention owing to its capability to fuse graphene with Si-based electronics. We demonstrate that the stacking, interface structure, and hence, electronic properties of GOS can be controlled by tuning the surface termination of 3C-SiC(111)/Si, with a proper choice of Si substrate and SiC growth conditions. On the Si-terminated 3C-SiC(111)/Si(111) surface, GOS is Bernal-stacked with a band splitting, while on the C-terminated 3C-SiC(111)/Si(110) surface, GOS is turbostratically stacked without a band splitting. This work enables us to precisely control the electronic properties of GOS for forthcoming devices.

口頭

面方位回転エピタキシャル成長3C-SiC(111)/Si(110)薄膜上グラフェン成長過程のLEED、SR-XPS観察

高橋 良太*; 半田 浩之*; 阿部 峻佑*; 猪俣 州哉*; 今泉 京*; 吹留 博一*; 寺岡 有殿; 吉越 章隆; 小嗣 真人*; 大河内 拓雄*; et al.

no journal, , 

3C-SiC(111)/Si(110)薄膜表面にエピタキシャルグラフェンを高品質に形成できることを見いだしている。今回、このグラフェン形成過程を低エネルギー電子回折(LEED)と放射光X線光電子分光(SR-XPS)を用いて詳細に評価した。1250$$^{circ}$$Cのグラフェン化アニール後、LEEDパタンはグラフェンの(1$$times$$1)パタンへと変化した。一方、SR-XPSの結果から、グラフェン/SiC界面には界面層が存在しないことがわかった。これらの知見は既に多数報告されているバルクSiC結晶基板C面(4H, 6H-SiC(000-1))のグラフェン形成過程と同一である。また、3C-SiC(111)/Si(110)表面がC終端であるとのD$$_{2}$$-TPD観察とも矛盾しない。したがって、Si(110)基板上3C-SiC(111)薄膜はC原子終端であり、その表面のグラフェンはturbostratic stackingをしながら形成されることが明らかになった。

口頭

3C-SiC(100)/Si(100)薄膜上グラフェン形成過程のLEED及びSR-XPS観察

猪俣 州哉*; 半田 浩之*; 阿部 峻佑*; 高橋 良太*; 今泉 京*; 吹留 博一*; 寺岡 有殿; 吉越 章隆; 小嗣 真人*; 大河内 拓雄*; et al.

no journal, , 

Si(100)基板上に形成した3C-SiC(100)薄膜の熱処理によって形成されるグラフェンの表面原子配列を低エネルギー電子回折(LEED)法で、表面原子組成と化学結合状態を放射光X線光電子分光(SR-XPS)法で評価した。LEEDからグラフェンは下地のSiC(100)層に対して15度回転して積層していることがわかった。また、SR-XPSからグラフェン層とSiC(100)層の間には界面層が存在しないことがわかった。

口頭

Si(100)基板上3C-SiC(100)エピタキシャル薄膜のグラフェン形成過程のLEED及びSR-XPS観察

猪俣 州哉*; 半田 浩之*; 阿部 峻佑*; 高橋 良太*; 今泉 京*; 吹留 博一*; 寺岡 有殿; 吉越 章隆; 小嗣 真人*; 大河内 拓雄*; et al.

no journal, , 

低エネルギー電子回折(LEED)と放射光X線光電子分光(SR-XPS)を用いて3C-SiC(100)/Si表面へのグラフェン形成過程を評価した。LEEDパターンから一定角(15度)を持って回転しながら積層するrotational stackingが起こっていることがわかった。また、C1s光電子スペクトルの角度分解測定の結果から、Si終端3C-SiC(111)面やSi終端6H-SiC(0001)面上にグラフェンを形成したときに見られた界面層が存在しないことが明らかとなった。以上の結果から、3C-SiC(100)/Si(100)基板上のグラフェン形成過程においては、グラフェン層間相互作用が少なく、各層が単層グラフェンとしての性質を保持すると期待される。

口頭

3C-SiC(111)/Si(111)薄膜上グラフェンの電子構造の評価

猪俣 州哉*; 高橋 良太*; 半田 浩之*; 今泉 京*; 吹留 博一*; 末光 眞希*; 寺岡 有殿; 吉越 章隆

no journal, , 

角度分解紫外線光電子分光法を用いてSi基板上に形成した3C-SiC(111)薄膜の真空熱処理でグラフェンを形成し、その電子構造を評価した。K点近傍で$$pi$$バンドが直線的な分散を示すことが明らかになった。また、観測された光電子スペクトルを既に報告されている6H-SiC(0001)のバンド図と比較したところ、おおよそ一致した。3C-SiC(111)/Si(111)基板上のエピタキシャルグラフェンは、SiC結晶基板上エピタキシャルグラフェンと同じバンド構造を取り、K点近傍で直線的なバンド分散を示すことが明らかになった。

口頭

微傾斜Si(111)基板を用いたグラフェン・オン・シリコン

原本 直樹*; 猪俣 州哉*; 三本菅 正太*; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; 吹留 博一*; 末光 眞希*

no journal, , 

3C-SiC(111)/Si(111)基板上では6H-SiC(0001)基板上と同様にグラフェンが形成されるが、品質は6H-SiC基板上のグラフェンと比較すると不十分である。3C-SiC薄膜の膜質は微傾斜Si基板を使用したステップフロー成長法でよくなることがわかっている。そこで、今回、微傾斜Si(111)基板上のSiC薄膜の質向上、及び、形成後のグラフェンの品質を調べた。モノメチルシランを用いたガスソース分子線エピタキシー法により微傾斜Si(111)基板上にSiC(111)薄膜を成膜した。成膜後の3C-SiC(111)/Si(111)off-axisはXRD測定により減少することから結晶性が向上することが明らかになった。その薄膜の熱改質によりSiC(111)/Si(111)薄膜上にグラフェンを形成した。ラマンスペクトルから、高品質なグラフェンが形成されていることがわかった。

口頭

Improvement of epitaxial graphene on silicon by use of vicinal Si(111) substrates

原本 直樹*; 猪俣 州哉*; 高橋 良太*; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; 吹留 博一*; 末光 眞希*

no journal, , 

The graphene-on-silicon (GOS) process, in which epitaxial graphene (EG) is formed on Si substrates via thermal conversion of the top surface of an SiC thin film formed on Si substrates, is now viewed as one of the key technologies to introduce graphene into Si technology. We have in this study conducted a GOS formation on vicinal Si(111) substrates and have actually found improvement in the quality of 3C-SiC (111) thin film as well as of EG. It is confirmed from the X-ray diffraction analysis that a 3C-SiC(111) thin film grows on the vicinal Si(111) substrate. A rocking curve's full-width-half-maximum (FWHM) value of XRD decreases by about 13%, proving improvement in the crystallinity of the 3C-SiC film. We next annealed the films at 1523 K in high vacuum to form graphene at the top layer. According to Raman spectra for on-axis and off-axis Si substrates, we clearly observed decrease of the defect-related D peak.

口頭

微傾斜3C-SiC(111)/Si(111)基板上エピタキシャルグラフェン成長

原本 直樹*; 猪俣 州哉*; 高橋 良太*; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; 吹留 博一*; 末光 眞希*

no journal, , 

シリコン基板上に形成するグラフェンの品質を制限する最大の要因はSiと3C-SiC結晶の間に存在する約20%の格子不整合である。これを克服してエピタキシャル成長3C-SiC薄膜の膜質を向上させる方法として微傾斜Si基板の使用がある。微傾斜Si基板上のX線回折ピークの半値幅がon-axis Si基板上のそれと比較して約13%減少することから、微傾斜基板上の3C-SiCの結晶性が向上することが明らかになった。グラフェンの欠陥を表すラマン散乱ピークは、微傾斜Si基板上のグラフェンの方がon-axis Si基板上のそれよりも小さくなることから、高品質な3C-SiC薄膜及びグラフェンが形成されることが明らかになった。今回、微傾斜Si(111)基板を用いることで、3C-SiC(111)薄膜の膜質向上、及び、その上に形成したエピタキシャルグラフェンの品質向上を確認した。

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