对于现代石墨烯器件的制造，在晶片规模上均匀生长高质量单层石墨烯是重要的。本工作报道了通过化学气相沉积和生长过程的DFT分析在半导体8英寸Ge（110）/Si晶片上生长大规模石墨烯。良好的石墨烯质量由拉曼2D带的小FWHM（32 cm^–1）、拉曼D和G带的低强度比（0.06）以及均匀的SEM图像表示，并通过霍尔测量得到证实：高迁移率（2700 cm²/Vs）和低薄层电阻（800Ω/sq）。与Ge（001）相反，Ge（110）在生长过程中不进行表面处理。我们认为，Ge（001）的粗糙化是由于钉扎台阶处的空位积累、键合的石墨烯边缘在（107）面上的容易运动以及通过表面邻域扩展Ge区域的低能量成本造成的，但在Ge（110）上，由于不同的表面几何形状和复杂的重建，这些机制不起作用。

 
图1.（a） XPS C1s和（b）在Ge（110）上生长的石墨烯的拉曼光谱。

 
图2:石墨烯的拉曼研究（a）I_D/I_G比的直方图，（b）2D带FWHM的微拉曼图，（c）2D-FWHM的直方图，以及（d）2D与G峰位置的关系。

 
图3.（a，b）石墨烯/Ge（110）的SEM和AFM显微照片。（c，d）石墨烯/Ge（001）的SEM和AFM显微照片。

 
图4.石墨烯从Ge（110）转移到SiO₂上。（a） SEM图像。（b） 拉曼光谱。（c） 霍尔条形结构的光学图像。

 
图5.Ge（001）和Ge（110）表面及其重建。虚线表示截断体的基元1×1细胞。截短体的原子以深褐色表示；雾用于深度提示。（a） 未重构的Ge（001）1×1.（b） 未重构的Ge（110）1×1.（c） 二聚Ge（001）p2×2.（d） Ge（110）“8×10”，具有吸附原子（蓝色）和吸附原子团簇：二聚体（绿色）和五聚体（红色）。单吸附原子和吸附原子二聚体降低了悬挂键密度；吸附原子五聚体保持低的表面应变。

 
图6.未应变石墨烯在Ge（001）上的膨胀和小平面的形成。Ge–C键中的原子被放大；Ge（001）畴为红色和蓝色。（a） 石墨烯指状物在锗二聚体行上爬行。（b） 石墨烯在850°C下从10mbarCH₄中生长后，刻面和非刻面区域之间边界的STM图像。（c）连接也与二聚体空位（蓝色）键合，因此爬行继续穿过单原子台阶到达较低的阶地，即Ge（001）的另一个结构域。（d） 石墨烯边缘结合到Ge（107）。

 
图7.石墨烯与锗上的直台阶结合，俯视图中使用雾作为深度排队。在Ge（110）台阶上属于Ge之字形的原子是褐色的（图a和b）；两个Ge（001）畴的原子是红色和蓝色（图b和c）；来自连接到Ge原子的环的C原子是黑色的；参与Ge–C键的原子增大；而在剩下的原子中，只显示了它们的键。（a） Ge原子在Ge（110）的[1õ10]Ge之字形台阶上。（b） 石墨烯键合到Ge（110）上，（c）键合到锗（001）上的S_B台阶，以及（d）键合在锗（001）上的S_A台阶。

 
图8.控制Ge（110）和Ge（001）对石墨烯生长的响应的因素。
 
      相关研究成果由莱布尼茨创新微电子研究所Fatima Akhtarh和Mindaugas Lukosius等人2023年发表在ACS Applied Materials & Interfaces (https://doi.org/10.1021/acsami.3c05860)上。原文：Chemical Vapor Deposition Growth of Graphene on 200 mm Ge(110)/Si Wafers and Ab Initio Analysis of Differences in Growth Mechanisms on Ge(110) and Ge(001)。

转自《石墨烯研究》公众号