Raman-Spektroskopie an Graphen

Graphen, eine einzelne Lage von Graphit, ist ein Material mit einzigartigen physikalischen Eigenschaften. Schon sechs Jahre nach der Entdeckung dieses zweidimensionalen Kristalls erhielten Andre Geim und Konstantin Novoselov den Nobelpreis in Physik für ihre herausragende Forschung an Graphen [1, 2]. Auf Wafer-Skala kann Graphen hoher struktureller Qualität auf Siliziumkarbid (SiC)-Oberflächen gezüchtet werden [3]. Wir untersuchen elektronische sowie strukturelle Eigenschaften dieses Materialsystem mittels Raman-Spektroskopie; eine der vielseitigsten Methoden zur Charakterisierung Kohlenstoff-basierter Materialien [4].

Bei der Raman-Streuung wird Licht, durch Anregung beziehungsweise Vernichtung von Phononen inelastisch gestreut. Anhand der Energieverschiebung des Raman-Streulichts zum anregenden Laserlicht (Raman-Verschiebung), lässt sich auf die Energien der im Streuprozess beteiligten Phononen rückschließen.In Abb. 1 ist unser Raman-Spektrometer und das Mikroskop zur Fokussierung des anregenden Laserlichts auf die zu Untersuchende Probe gezeigt.

Abb. 1: Versuchsaufbau mit dem Raman-Spektrometer und Mikroskop.

Das Streulicht wird in Rückstreugeometrie vom Mikroskopobjektiv eingesammelt, mit einen halbdurchlässigen Spiegel (M_H in Abb. 2) vom Strahlengang der Anregung getrennt und ins Spektrometer eingekoppelt. Die ersten beiden Spektrometerstufen unterdrücken das elastische Streulicht, welches um viele Größenordnungen intensiver ist als das Raman-Streulicht. Die Intensität des inelastisch gestreuten Lichts wird spektral aufgelöst von einer flüssig-Stickstoff gekühlten CCD-Kamera in der dritten Spektrometerstufe aufgenommen und im Raman-Spektrum als Funktion der Energieverschiebung zur Laserlinie aufgetragen.

Abb. 2: Schematischer Versuchsaufbau. MH: halbdurchlässiger Spiegel, LE: Linse zum Einkoppeln des Streulichts ins Spektrometer, S: Spalt, G: Gitter.

Im Raman-Spektrum von Graphen (blaues Spektrum in Abb. 3) sind zwei dominante Raman-Linien zuerkennen (G-Linie: LO-Phonon im Zentrum der Brillouin-Zone, 2D-Mode: TO-Phonon am Zonenrand). Mit diesen und weiteren spektralen Merkmalen lassen sich Informationen über zahlreiche physikalische Eigenschaften ermitteln (zB. strukturelle Qualität, Ladungsträger-konzentrationen, mechanische Verspannungen, Beschaffenheit der Grenzfläche zwischen Graphen und SiC) [4, 5].

Abb. 3: Raman-Spektrum von Graphen auf SiC (rot). Das Differenz-Spektrum (blau) zeigt nach dem Abzug des SiC-Signals (schwarz) nur noch die Signale des Graphens.

Folgend sind aktuelle Bereiche unserer Forschungsarbeit kurz präsentiert.

Optimierung der Raman-Intensität von Graphen

Die Optimierung der Messgeometrie zur Erhöhung der Raman-Intensität von Graphen ist wichtig um kurze Integrationszeiten zu gewährleisten und die Oberflächen-empfindlichkeit zu erhöhen (Verhältnis aus Graphen- und SiC-Signal – Abb. 3). Dabei wird der Effekt ausgenützt, dass der Großteil des Raman-Streulichts in das SiC-Substrat abgestrahlt wird. Die Herausforderung ist, das Streulicht effizient unter Verwendung von Festkörperimmersionslinsen (SIL) und Immersionsflüssigkeiten einzusammeln.

Im Vergleich zur konventionellen Mess-geometrie, bei der das Laserlicht direkt auf das Graphen fokussiert wird, konnte schon eine Intensitätssteigerung um einen Faktor 20 erreicht werden (Abb. 4). Die neue Messgeometrie eröffnet ein ganz neues Feld möglicher Anwendung zur Raman-spektroskopischen Charakterisierung von Graphen [6, 7].

Abb. 4: 20-fache Intensitätssteigerung des Raman-Signals von Graphen im Vergleich zur konventionellen Messgeometrie.

Charakterisierung von Feldeffekttransitoren

Graphen ist ein Material mit extrem hohen Ladungsträgerbeweglichkeiten und die Anwendung von Graphen in Hochfrequenztransistioren ist eine der vielversprechendsten. Raman-Messungen durch das SiC-Substrat an Feldeffekttransistoren ermöglicht die Untersuchung der Abhängigkeit der Raman-Streuung von der Ladungsträgerkonzentration im Graphen. Mit hilfe der gewonnenen Informationen lassen sich zum Beispiel Einflüsse von mechanischer Verspannungen und der Ladungsträgerkonzentration auf die Raman-Verschiebung der G- und 2D-Linie trennen [6].

Abb. 5: links: Mikroskop-Bild eines Graphenfeldeffekttransistors mit Siliziumnitrid Dielektrikum und Titan/Gold-Kontakten. Rechts: Raman-Spektren bei verschiedenen Werten der Dotierung beziehungsweise verschiedene Werten der Steuerspannung.

Referenzen

[1] Novoselov et al. Electric field effect in atomically thin carbon films, Science 306, 666 (2004).

[2] Novoselov et al. Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene, Nature 438, 197 (2005).

[3] Emtsev et al. Towards wafer-size graphene layers by atmospheric pressure graphitization of silicon carbide, Nature Materials 8, 203 (2009).

[4] Ferrari und Basko Raman spectroscopy as a versatile tool for studying the properties of graphene, Nature Nanotechnology 8, 235 (2013).

[5] Fromm et al. Contribution of the buffer layer to the Raman spectrum of epitaxial graphene on SiC(0001), New Journal of Physics 15, 043031 (2013).

[6] Fromm et al. Looking behind the scenes: Raman spectroscopy of top-gated epitaxial graphene through the substrate, New Journal of Physics 15, 113006 (2013).

[7] Fromm et al. Backside monitoring of graphene on silicon carbide by Raman spectroscopy, Materials Science Forum 778-780, 1166 (2014).