Self-organized network of silicon oxide on epitaxial graphene

Abstract

In this thesis, I studied the formation and characterization of self-organized hexagonal-shaped SiO2 wrinkle structures on epitaxial graphene that was grown on SiC substrate. Monolayer graphene was grown by annealing the SiC substrate at high temperatures under ultra-high vacuum conditions. Following the growth process, SiO2 thin film was deposited on epitaxial graphene layer at different deposition temperatures by thermal evaporation method. We found that SiO2 film wrinkles on epitaxial graphene. The origin of the hexagonal shaped wrinkle structures were derived from the thermal expansion coefficient difference between epitaxial graphene and SiO2 thin film. The mesh density of these SiO2 hexagonal wrinkle structures was controlled by changing the cooling rate of the substrate after the thin film deposition. To make a comparison, SiO2 thin film was also deposited on CVD grown graphene and on bare SiC substrate. Unlike on the bare SiC surface, SiO2 thin film on epitaxial graphene exhibited a self-assembled network of hexagonally shaped wrinkles due to thermally induced compressive strain between the two materials. The observed network of wrinkles were found to be comprised of line shaped primary and secondary types of protrusions with distinct topographic characteristics as determined by optical microscopy, Scanning Electron Microscopy and Atomic Force Microscopy measurements. The wrinkle to wrinkle spacing and mesh density of the wrinkle network were modified simply by changing the SiO2 deposition temperature. Our experimental results imply that epitaxial graphene with its high chemical inertness on SiC offers a great potential to be used as a conventional substrate in the realm of thin film metrology.

Bu çalışmada, silisyum karbür alttaş üzerinde büyütülmüş epitaksiyel grafen üzerinde kendiliğinden düzenlenen silikon oksit ağının oluşumu ve karakterizasyonu gerçekleştirildi. Tek katman grafen, silikon karbür alttaş üzerinde yüksek sıcaklıklarda tavlanarak ultra yüksek vakum koşullarında büyütüldü. Büyütme işlemi sonrası, silikon oksit ince film tabakası epitaksiyel olarak büyütülmüş grafen üzerine farklı kaplama sıcaklıklarında termal olarak buharlaştırıldı. Yüzeyde meydana gelen kırışıklık yapısının, epitaksiyel grafen ile SiO2 ince film arasındaki yüksek ısıl genleşme katsayısı farklılığından kaynaklandığı yapılan deneyler ile gösterildi. Bu kırışıklık yapılarının yoğunluğu ince film kaplandıktan sonraki soğutma hızı değiştirilerek kontrol edildi. Aynı zamanda epitaksiyel ve kimyasal buhar biriktirme (CVD) yöntemleri ile sentezlenmiş grafen üzerindeki kırışıklık yapısının oluşumu çalışıldı. Tek katman epitaksiyel grafen ve işlem uygulanmamış SiC alttaşın üzerinde kaplanan SiO2 ince filmin yüzey üzerindeki davranışı incelendi. İşlem uygulanmamış SiC alttaşının aksine, iki malzeme arasında termal olarak endüklenen basma gerinimden dolayı SiC üzerinde epitaksiyel olarak büyütülmüş tek katman grafenin üzerindeki SiO2 ince film, altıgen yapılı kendiliğinden oluşan kırışıklık ağını göstermiştir. Farklı topografik özellikler gösteren birincil ve ikincil tip yükseltilerden oluşan kırışık ağ yapısı; optik mikroskop, taramalı elektron mikroskopisi (SEM) ve atomik kuvvet mikroskopisi (AFM) ölçümleri ile karakterize edilmiştir. Kırışıklıklar arası mesafe ve yapıdaki ağ yoğunluğu SiO2 ince film kaplama sıcaklığı değiştirilerek modifiye edilmiştir. Elde edilen sonuçlar, yüksek oranda kimyasal olarak etkisiz olan silikon karbür üzerinde büyütülen epitaksiyel grafenin ince film metrolojisi alanında kullanılmak üzere yüksek bir potansiyele sahip olduğunu göstermiştir.