碳化硅晶体表面原子解离和吸附行为的第一性原理研究

摘要

石墨烯（graphene）作为一种新型二维碳材料,由于其所展现出的诸如零电子带隙、极高电子迁移率、较长相位相干长度和弹性散射长度等奇特的电子性质而受到人们的广泛关注，在许多领域具有非常重要的应用前景。目前，基于碳化硅（SiC）晶体表面碳化过程外延生长石墨烯的方法被普遍认为是可能实现石墨烯工业化制备和生产的最有效方法之一。尽管如此，人们对SiC表面石墨烯外延生长的微观动力学过程和机制并不十分清楚，特别是SiC表面硅、碳原子的解离、吸附及其扩散行为对大面积生长高质量石墨烯的影响还有待进一步研究。
　　本文中，我们采用基于密度泛函理论的第一性原理方法对6H-SiC(000-1)表面碳、硅原子的解离、吸附及其扩散行为进行理论研究，尝试从原子尺度分析SiC表面大面积石墨烯生长初期的成核机制和生长过程，为进一步促进探索石墨烯的生长制备工艺提供理论参考。论文主要获得了以下主要结论：
　　1）采用第一性原理方法对6H-SiC(000-1)表面C、Si原子的解离与吸附行为进行了研究。发现初始阶段C原子先于Si原子离开6H-SiC(000-1)表面,形成碳空位缺陷，缺陷形成后促使Si原子很容易脱附SiC表面；而另一方面，C原子比Si原子更易吸附在SiC表面上，H3位置为较可能吸附的位置，Si原子吸附能力会随着表面解离原子的增加而减弱。
　　2）采用第一性原理方法研究了硅原子在SiC与石墨烯界面处的扩散行为。研究发现，Si原子在扩散的过程中，越靠近石墨烯层，需要克服的势垒越大，Si原子扩散行为越困难；而穿过石墨烯层后，所需的势垒减小，Si原子越易扩散。研究进一步发现，石墨烯空位缺陷能够大大降低Si原子的扩散势垒，有利于Si原子扩散通过石墨烯层，促进SiC表面石墨烯的生长过程。