遠(yuǎn)程外延（RE），襯底極性可以“穿透”二維材料（2DMs）并作用于外延層，顯示出一種具有前瞻性的普遍增長(zhǎng)策略。然而，從本質(zhì)上講，到目前為止，2DM在RE中的作用尚未得到深入研究。在這里，實(shí)現(xiàn)了單晶薄膜在最弱的極性/偶像性襯底上的RE，以揭示其本質(zhì)物理性質(zhì)。石墨烯促進(jìn)從基板到外延層的衰減電荷轉(zhuǎn)移（ACT），以構(gòu)建遠(yuǎn)程相互作用。界面原子通過石墨烯組裝成“不相稱”的外延關(guān)系，以減少外延層中的失配位錯(cuò)。此外，石墨烯降低了原子遷移屏障，導(dǎo)致“逐層”生長(zhǎng)模式的趨勢(shì)。這種薄膜生長(zhǎng)模式不同于傳統(tǒng)的外延（CE），有利于外延層的快速生長(zhǎng)和聚結(jié)邊界位錯(cuò)的減少。石墨烯作用的深刻揭示揭示了RE的界面物理特性，并為使用2DM擴(kuò)展三維材料（3DM）以應(yīng)用于器件提供了更有價(jià)值的指導(dǎo)。
圖1.外延結(jié)構(gòu)的方向和極性。（a） AlN/SLG/SiC的高分辨率X射線衍射儀（HRXRD）（102）φ掃描，顯示AlN和SiC之間的外延取向關(guān)系。（b） AlN/SLG/SiC的橫截面掃描透射電子顯微鏡（STEM）圖像。橙色框架中的插圖是來自 （b） 上部的 HR 高角度環(huán)形暗場(chǎng) （HAADF）-STEM 圖像，與 Al 極性 AlN 模型疊加，紅色和藍(lán)色球體分別表示 Al 和 N 原子，尺度為 1 nm。黑色虛線框中的插圖分別是AlN和AlN/SiC界面的選定面積電子衍射（SAED）圖，紅色和黃色箭頭分別對(duì)應(yīng)于AlN和SiC。（c） 界面的HR HAADF-STEM圖像與Al，N，C和Si原子的能量色散光譜（EDS）信號(hào)疊加。（d） 沿（c）中的垂直白色虛線對(duì)Al、N、C和Si的特征X射線信號(hào)進(jìn)行綜合線掃描。（e和f）AlN/SLG/SiC 界面 （e） 及其逆快速傅里葉變換 （FFT） 晶格條紋 （f） 處的 HR HAADF-STEM 圖像。（e） 中黃色框中的插圖是 FFT 圖案。
圖2.AlN/SLG/SiC的界面原子結(jié)構(gòu)和DFT計(jì)算.（a） AlN/SLG/SiC界面的HR HAADF-STEM圖像。（b） （a）中綠框的放大圖像。（c） 通過HR HAADF-STEM分析測(cè)量的AlN和SLG異質(zhì)界面間隙的直方圖。（d） 結(jié)合能曲線繪制為AlN/SiC（黑線）、AlN/SLG/SiC（紅線）和AlN/MLG（藍(lán)線）異界面間隙的函數(shù)。（e）不同石墨烯層覆蓋的SiC襯底上的結(jié)合能比較。
圖3.AlN/SLG/SiC的界面電子性能.（a） SLG/SiC、N/SLG/Sic、n/blg/SiC 和 N/石墨烯系統(tǒng)的 Bader 電荷轉(zhuǎn)移分析。插圖顯示了每個(gè)系統(tǒng)的原子結(jié)構(gòu)示意圖。（b） AlN/SLG/SiC、AlN/BLG/SiC 和 AlN/石墨烯系統(tǒng)的 Bader 電荷轉(zhuǎn)移分析。（c） 面內(nèi)取向的AlN/SLG/SiC的橫截面原子結(jié)構(gòu)和電荷密度差（CDD）[11-20]氮化 鋁||[1–100]SLG||[11–20]原文如此.CDD在±0.003 e/Å
3的等值面水平下描述。
圖4。AlN薄膜生長(zhǎng)模式分析。（a–c）AlN/SLG/SiC界面圖像（c）的橫截面TEM圖像（a）、HAADF-STEM圖像（b）和平面圖BF-STEM。（d–f）AlN/SiC界面圖像（f）的橫截面TEM圖像（d）、HAADF-STEM圖像（e）和平面圖BF-STEM。（f）中的實(shí)心白框中的插圖是放大圖像。（g） 計(jì)算的遷移障礙。黑色、紅色和藍(lán)色虛線框中的插圖分別是SiC、SLG/SiC和SLG上Al原子遷移的示意圖。（h和i）AlN/MLG/SiC的界面圖像（i）的橫截面TEM圖像（h）和平面圖BF-STEM。（b和e）中的實(shí)心箭頭和（c和f）中的紅色圓圈表示空隙的位置。（c、f和i）中的插圖是對(duì)應(yīng)的SAED圖案。
圖5。RE-AlN薄膜中的位錯(cuò)觀察。（a–c）g=0002（a）和g=11–20（b）AlN/SiC的截面BF-STEM圖像和平面圖BF TEM圖像（c）。“m”表示混合型位錯(cuò)。（d） AlN/SLG/SiC界面的橫截面HAADF-STEM圖像。（d）的橙色框中的HR HAADF-STEM和HR DF2-STEM圖像顯示，石墨烯中的缺陷可導(dǎo)致RE-AlN膜中的位錯(cuò)。
相關(guān)研究成果由中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所Yu Xu、Ke Xu和蘇州大學(xué)Bing Cao等人2023年發(fā)表在ACS Nano (https://doi.org/10.1021/acsnano.3c00026)上。原文：Modulation of Remote Epitaxial Heterointerface by Graphene-Assisted Attenuative Charge Transfer。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
