Graphene has attracted major attention from physics or nano-electronic communities due to its fascinating electrical properties since its first discovery at 2004. Most of previously published papers use exfoliated graphene on thermal silicon dioxide of $3000\Aring$ which make graphene visible. The graphene layer on $SiO_2$ is, however, easily detached during wet chemical process since graphene basal plane is chemically inert and has hydrophobic nature. The origin and the nature of the interactions between graphene and various dielectrics are not well studied up to date.
In this work, the interaction of graphene and substrate such as SiC and different dielectrics $(SiO_2, Al_2O_3, and HfO_2)$ are analyzed by STM, AFM and Raman spectroscopy. From Raman spectra, the epitaxial graphene grown on SiC under high vacuum level $(~10^{-6} Torr)$ shows large D band and it is revealed that the origin of the defects are carbon dumps and wrinkles grown on the surface by STM study.
Raman spectra of graphene with different dielectrics show that material with higher dielectric constant has shorter distance and stronger adhesion with graphene. It is attributed that local polarization of high dielectric constant materials improves the interaction of graphene. It is also shown that graphene strongly interacts with dielectrics after high vacuum annealing. From AFM study, the distance between graphene and dielectrics are much reduced after vacuum annealing and show strong shifts of raman peaks. The origin of reduced distance is ascribed to removal of native molecular existing between graphene and substrate.
Interestingly, graphene has unique interaction with different dielectrics. Graphene on HfO2 shows strong hole doping after high vacuum annealing. The amount of doping is increased upto $~2.7x10^{13} cm^{-2}$ which is 10 times higher than pristine graphene on HfO2. Graphene on SiO2, however, suffers compressive strain as large as 2.3GPa based on raman G band shifts. Since graphene on SiC also has compressive stain and it is reported that band gap opening is observed from epitaxial graphene on SiC, graphene on SiO2 after vacuum annealing is expected to have band gap which is one of the most critical issues for future applications.
그래핀은 2004년에 처음 발견된 이후에 그 뛰어난 전기적 특성으로 인해 물리학과 나노 소자 연구 그룹으로부터 많은 관심을 받아 연구가 이루어져 왔다. 지금까지 그래핀에 대해 발표되는 논문이나 연구들은 그래핀이 현미경으로도 구분이 가능하게 하는 3000 Å의 $SiO_2$ 를 기판으로 사용해 왔다. 하지만 그래핀은 약품 처리 등의 과정에서 SiO2로부터 쉽게 떨어질 정도로 약한 접합력을 가지고 있는데, 이는 그래핀의 표면이 화학적으로 안정적이며 소수성을 띄기 때문이다. 아직까지 그래핀과 기판에 대한 연구는 활발하게 이루어지지 못하고 있다.
본 논문에서는 그래핀과 SiC 또는 다양한 유전체와 주고 받는 상호작용에 대해 STM, AFM, 라만 분광 분석 등을 통해 분석해 보았다. 라만 스펙트럼으로부터 고진공 분위기에서 SiC 위에 epitaxial 하게 성장된 그래핀은 높은 D band를 가지는 것을 확인하였으며 이러한 원인은 STM 측정으로부터 표면의 탄소 덩어리들 때문인 것으로 밝혀지게 되었다.
라만 스펙트럼으로부터 그래핀이 높은 유전율을 가지는 유전체에서 보다 더 가까운 거리를 가지며 접합력이 증가하는 것을 확인하였다. 유전체가 가지는 local polarization이 유전율이 높은 물질에서 더욱 강하게 나타나 그래핀과의 접합력을 증가시킨 것으로 여겨진다. 고진공에서 열처리를 하고 난 이후에는 접합력이 더욱 향상된 것을 확인하였는데, AFM 측정 결과로부터 그래핀의 두께가 더욱 얇아진 것을 확인하였다. 이렇게 얇아진 두께는 그래핀과 기판 사이 또는 그래핀의 표면에 존재하던 여러 가지 원소들이 제거되었기 때문인 것으로 여겨진다.
진공 열처리 이후에 그래핀이 HfO2 위에 있을 때에는 강한 홀 도핑 효과가 나타나며 도핑 농도는 약 $2.7x10^{13} cm^{-2}$ 정도로 약 10배 증가 하였다. 하지만 SiO2 위에 있을 때에는 그래핀이 약 2.3GPa 정도의 compressive strain을 겪는다는 것을 라만 스펙트럼 분석 결과로부터 구해졌다. 이것은 SiC 위에 성장된 그래핀에서 동일하게 나타나는 결과이며 SiC 위의 그래핀은 band gap이 존재하는 것으로 밝혀졌다. 따라서 SiO2 위의 그래핀은 진공 열처리 이후에 compressive strain을 겪으며 band gap이 열릴 수 있을 거라고 기대된다.
