Использование графена в качестве буферного слоя при эпитаксии нитридов III-й группы методом МЛЭ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Борисенко Денис Петрович

• Борисенко Денис Петрович
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Борисенко Денис Петрович

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Графен

1.1.1. Электрофизические свойства графена

1.1.2. Структурные и механические свойства графена

1.1.3. Методы получения графена

1.1.3.1. Химическое осаждение из газовой фазы

1.2. Нитриды Ш-й группы

1.2.1. Физические свойства и структурные особенности нитридов 111-й группы

1.2.2. Методы получения эпитаксиальных слоёв нитридов Ш-й группы

1.2.2.1. Молекулярно-лучевая эпитаксия

1.2.3. Гетероэпитаксия на различных подложках

1.2.3.1. Гетероэпитаксия на сапфире

1.2.3.2. Гетероэпитаксия на карбиде кремния

1.2.3.3. Гетероэпитаксия на кремнии

1.2.4. Использование графена в качестве буферного слоя при эпитаксии нитридов Ш-й группы

Выводы по главе

Глава 2. МАТЕРИАЛЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДИКИ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Химическое осаждение графена из газовой фазы на металлическом

катализаторе

2.2. Молекулярно-лучевая эпитаксия нитридов Ш-й группы

2.3. Оборудование и методики исследования структуры, состава и морфологии экспериментальных образцов

2.3.1. Спектрофотометрия

2.3.2. Анализ морфологии поверхности образцов: методики АСМ и СЭМ

2.3.3. Метод спектроскопии комбинационного рассеяния света

2.3.4. Дифракция быстрых отражённых электронов

2.3.5. Метод рентгеновской дифракции

Выводы по главе

Глава 3. ПОЛУЧЕНИЕ СЛОЁВ ГРАФЕНА ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В КАЧЕСТВЕ БУФЕРНОГО СЛОЯ ПРИ ЭПИТАКСИИ НИТРИДОВ Ш-Й

ГРУППЫ

3.1. Подготовка металлического катализатора

3.2. Перенос графена на целевую подложку

3.3. Очистка графена от различных загрязнений

3.4. Получение графена с различными структурными особенностями

Выводы по главе

Глава 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПРОЦЕССА ЭПИТАКСИИ НИТРИДОВ Ш-Й ГРУППЫ НА ПОВЕРХНОСТИ ГРАФЕНА

4.1. Моделирование и эксперименты процессов зарождения и роста

АШ и GaN на поверхности графена

4.1.1. DFT расчёты процессов зарождения и роста АШ и GaN на поверхности графена

4.1.2. Экспериментальное исследование зарождения и роста АШ и GaN на поверхности графена

4.2. Моделирование и экспериментальное исследование влияния структурных особенностей слоёв графена на эпитаксию нитридов III-й группы

4.2.1. DFT расчёты вкладов различных структурных дефектов в графене на эпитаксию нитридов Ш-й группы

4.2.2. Экспериментальное исследование эпитаксии нитридов Ш-й группы на буферных слоях графена с различным различными особенностями структуры

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

БЛАГОДАРНОСТИ

ЛИТЕРАТУРА

Приложение 1. Акты о внедрении

Приложение 2. Патенты

ВВЕДЕНИЕ

Графен представляет собой моноатомный слой углерода, образующий гексагональную кристаллическую решётку. Отдельный слой графена, который когда-то считался невозможным в изолированном состоянии, привлек много внимания с момента его первого механического отделения от пиролитического графита командой учёных под руководством Андрея Гейма и Константина Новоселова в Манчестерском университете [1].

Поскольку графен представляет собой самую тонкую плёнку толщиной в один атом, он обладает уникальными свойствами. Высокая подвижность носителей заряда (1000000 см2/Вс при 4 К), высокая теплопроводность ((4.84 ± 0.44)х103 до (5.30 ± 0.48)х103 Вт м-1К-1) с характеристикой амбиполярной проводимости, делают его привлекательным для электронных приложений [1]. Как и предсказывалось в законе Мура, число транзисторов в цифровой интегральной схеме удваивается примерно каждые два года, что приводит к ежегодному снижению стоимости транзистора на чипе на 25%. За этим большим успехом стоит непрерывное масштабирование кремниевого металл-оксид-полупроводникового полевого транзистора (МОП). До сих пор - МОП успешно выпускались серийно с длиной затвора менее 10 нм. Дальнейшее масштабирование длины затвора Si-МОП, флуктуации параметров при изготовлении идентичных транзисторов, эффекты короткого канала и доминирующие паразитные эффекты появятся и ухудшат производительность устройства. Поэтому инженеры и ученые ищут новые материалы, а также концепции инновационных устройств, надеясь продлить срок действия закона Мура и обеспечить полноценное развитие полупроводниковой промышленности. Между тем, новые материалы с высокой подвижностью носителей заряда чрезвычайно необходимы для высокочастотных устройств, работающих в малоиспользованном терагерцовом диапазоне (0.3 ^ 3 ТГц). Устройства на основе полупроводниковых соединений А111 - Ву продемонстрировали подвижность

4

носителей заряда, превышающую 10000 см2/Вс, и широко используются для создания высокочастотных устройств [2 - 4]. Кроме того, устройства, изготовленные из сложного широкозонного полупроводника, такого как GaN, также могут работать при более высокой температуре и обеспечивать более низкий тепловой шум по сравнению с устройствами на основе кремния. Однако высокая стоимость и сложный процесс изготовления ограничивают их применение в тех областях, где кремний не может быть использован. Необходимость осуществления гетероэпитаксии и использование переходных буферных слоёв для получения эпитаксиальных плёнок нитридов III - й группы, сдерживают полноценное использование этих материалов для различных приложений. Следовательно, графен с КМОП-совместимым процессом и замечательной подвижностью носителей заряда, намного превосходящей подвижность полупроводников III - V, сразу привлекает внимание исследователей во всем мире. Графен может использоваться для транзисторов за пределами масштабирования кремниевых устройств и, следовательно, продлить действие закона Мура путём совмещения 3D и 2D технологий. Использование графена для Ван-дер-Ваальсовой эпитаксии плёнок нитридов III - й группы открывает огромные возможности для проектирования новых устройств в различных направлениях науки и техники.

Цель диссертационной работы - разработка способов получения и модификации слоёв графена для использования в качестве буферного слоя при гетероэпитаксии нитридов III-й группы методом ПА-МЛЭ на аморфной подложке.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие

задачи:

1. Разработать способы подготовки медного катализатора для получения слоёв графена;

2. Выявить закономерности по влиянию условий синтеза методом химического газофазного осаждения на морфологию поверхности и структурные особенности слоёв графена;

3. Разработать способ получения преимущественно однодоменных слоёв графена методом химического газофазного осаждения на медном катализаторе;

4. Установить характер влияния структурных и электронных свойств слоёв графена на формирование плёнок АШ и GaN;

5. Установить влияние кристалличности слоёв графена на качество выращиваемых эпитаксиальных плёнок АШ и GaN на аморфной подложке методом молекулярно лучевой эпитаксии;

6. Разработать методику анализа кристаллической структуры слоёв графена и выращиваемых плёнок АШ и GaN методом дифракции быстрых электронов.

Научная новизна диссертации

В ходе выполнения диссертационной работы впервые были получены следующие результаты:

1. Разработан способ двухстадийного роста графена на поликристаллическом медном катализаторе методом химического газофазного осаждения, позволивший получить однодоменный однослойный графен с достижением кристаллита > 1 мм2;

2. Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено улучшение однородности эпитаксиальных плёнок GaN на буферных слоях графена с использованием тонкого (40 нм) слоя АШ;

3. Теоретически рассчитано и экспериментально доказано влияние особенностей кристаллической структуры слоёв графена на качество осаждаемых плёнок АШ и GaN методом молекулярно лучевой эпитаксии;

4. Экспериментально доказана зависимость доменной структуры эпитаксиальных плёнок АШ и GaN от кристалличности и качества буферных слоёв графена, выращенных на медном катализаторе с доминирующей ориентацией (111) и (100);

5. Доказано, что использование двух слоёв графена приводит к улучшению однородности выращиваемых плёнок АШ и GaN.

Практическая значимость диссертации

1. Разработан и внедрён в производство способ получения плёнок графена с разным количеством слоёв и доменной кристаллической структурой на медном катализаторе;

2. Разработан и внедрён в производство двухстадийный способ синтеза графена с различной пропорцией газов аргон/водород для получения малодефектных однодоменных слоёв;

3. Разработан способ переноса и очистки слоёв графена на поверхность кремниевой пластины с аморфным слоем термического оксида.

4. Разработаны способы модификации структуры графеновых слоёв для изменения энергии взаимодействия АШ и графен, приводящие к улучшению значения среднекадратичной шероховатости поверхности и однородности выращиваемых плёнок АШ и GaN;

5. Разработана и внедрена в лабораторную практику методика построения 2Э и карт обратного пространства для исследования доменной структуры и напряжений в исследуемых слоях графена и плёнках АШ и GaN с помощью метода дифракции быстрых электронов.

Положения, выносимые на защиту

1. Разработан двухстадийный способ синтеза слоёв графена на

поликристаллическом медном катализаторе, включающий

7

электрохимическую полировку в растворе ортофосфорной кислоты и высокотемпературный отжиг (975 - 1000 °С) в среде водорода, который обеспечивает формирование однородных малодефектных слоёв с преимущественно однодоменной структурой и увеличением площади монодоменных кристаллитов до 1 мм2;

2. Впервые методом теории функционала плотности установлены количественные закономерности взаимодействия в структурах АШ/графен и GaN/графен, а также определены энергетические барьеры адсорбции и миграции атомов Ga и А1 на поверхности графена, которые объясняют механизм зарождения и селективной ориентации плёнок АШ и GaN;

3. Установлена и экспериментально подтверждена определяющая зависимость кристалличности и текстуры эпитаксиальных плёнок АШ и GaN от доменной структуры графенового буфера на аморфной подложке, заключающаяся в том, что использование однодоменного графена позволяет улучшить однородность получаемых плёнок АШ и GaN по сравнению с графеном, состоящим из двух развёрнутых типов доменов;

4. Выявлены теоретически и экспериментально подтверждены закономерности роста плёнок АШ и GaN на графене, демонстрирующие, что количество слоёв и структурные дефекты графенового буфера являются ключевыми факторами, контролирующими Ван-дер-Ваальсовую эпитаксию и морфологию плёнок АШ и GaN;

5. Разработана и апробирована методика анализа методом дифракции быстрых электронов, позволяющая идентифицировать доменную структуру слоёв графена, зарождение и релаксацию напряжений в растущих плёнках АШ и GaN за счёт построения и анализа 2D карт обратного пространства.

Достоверность научных результатов и выводов

Представленная работа основана на применении современных методов синтеза и исследования материалов.

Исходные гетероструктуры нитридов алюминия и галлия (АШ, GaN), являющиеся основой для НЕМТ - устройств, были выращены методом молекулярно-лучевой эпитаксии в центре Радиофотоники и СВЧ-технологий института нанотехнологий в электронике, спинтронике и фотонике НИЯУ МИФИ. Технологические этапы переноса и очистки плёнок графена выполнены в лаборатории 2Э наноматериалов в электронике, фотонике и спинтронике.

Всесторонняя характеризация полученных образцов проводилась методами атомно-силовой микроскопии, сканирующей электронной микроскопии, Рамановской спектроскопии, рентгеноструктурного анализа высокого разрешения и дифракции быстрых электронов.

Достоверность и повторяемость экспериментальных данных обеспечивалась калибровкой измерительного оборудования на сертифицированных образцах, проведением измерений на сериях близких образцов, а также верификацией результатов путем теоретического моделирования и сравнения с литературными данными. Результаты исследований прошли широкую апробацию на международных конференциях и опубликованы в рецензируемых международных научных журналах.

Личный вклад соискателя

Автором лично проведён аналитический обзор литературы по теме диссертации. Были подобраны режимы синтеза и отжига плёнок графена, осуществлён и усовершенствован их перенос на целевую подложку и последующий рост гетероструктур методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Автор самостоятельно провёл обработку полученных результатов.

Совместно с коллегами из Центра радиофотоники и СВЧ-технологий Института нанотехнологий в электронике, спинтронике и фотонике НИЯУ

МИФИ, автор провёл исследования образцов на различном измерительном

9

оборудовании. Все результаты, изложенные в работе и выносимые на защиту, получены лично автором или при его непосредственном участии.

По теме диссертации подготовлено и опубликовано 5 научных статей и 1 патент.

Результаты диссертационной работы внедрены в производственный и учебный процесс с оформлением 3-ёх актов о внедрении.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Использование графена в качестве буферного слоя при эпитаксии нитридов III-й группы методом МЛЭ»

Апробация работы

Изложенные в диссертационной работе научные результаты были представлена и всесторонне обсуждались на следующих международных и всероссийских конференциях:

1. Июль 2024 Международная конференция Наноуглерод и Алмаз (НиА'2024). Тема доклада: «Рост монокристаллов графена на медном катализаторе методом ХПО».

2. Май 2024 15-ая Международная научно-практическая конференция по физике и технологии наногетероструктурной СВЧ-электроники «МОКЕРОВСКИЕ ЧТЕНИЯ». Тема докладов: «Подготовка медного катализатора для роста качественного графена методом ХПО в реакторе горизонтального типа» и «Рост отдельных монокристаллов графена на медном катализаторе методом ХПО».

3. Сентябрь 2023 VII международный Российско-Белорусский семинар-конференция, посвященный 300-летию Российской академии наук «Новые наноматериалы и их электромагнитные свойства». Тема доклада: «Рост монокристаллов графена на медном катализаторе методом ХПО».

4. Май 2023 14-ая Международная научно-практическая конференция по физике и технологии наногетероструктурной СВЧ-электроники «МОКЕРОВСКИЕ ЧТЕНИЯ». Тема доклада: «Исследование напряжений в кристаллической структуре плёнок графена с использованием IN SITU метода RHEED».

5. Май 2022 13-ая Международная научно-практическая конференция по физике и технологии наногетероструктурной СВЧ-электроники «МОКЕРОВСКИЕ ЧТЕНИЯ». Тема доклада: «Исследование электрофизических параметров гетероструктур 3C-SiC/Si».

6. Май 2021 12-ая Международная научно-практическая конференция по физике и технологии наногетероструктурной СВЧ-электроники «МОКЕРОВСКИЕ ЧТЕНИЯ». Тема доклада: «Исследование III-нитридов на графене с использованием in situ метода ДБЭ».

7. Октябрь 2020 11-ая Международная научно-практическая конференция по физике и технологии наногетероструктурной СВЧ-электроники «МОКЕРОВСКИЕ ЧТЕНИЯ». Тема доклада: «Влияние текстуры медной фольги на кристалличность графена».

8. Май 2019 10-ая Международная научно-практическая конференция по физике и технологии наногетероструктурной СВЧ-электроники «МОКЕРОВСКИЕ ЧТЕНИЯ». Тема доклада: «Влияние буферного слоя A1N на эпитаксиальный рост GaN на графене».

9. Февраль 2019 20-й Европейский симпозиум по молекулярно-лучевой эпитаксии. Тема доклада: «ПА-МЛЭ GaN и AlN на буферных слоях графена».

10. Август 2019 21-я международная конференция по модификации поверхности материалов ионными пучками. Тема доклада: «Эффект плазмы Аг и Xe на шероховатость поверхности оболочки топливной трубки».

11. Июнь 2019 41-й Научно-исследовательский Симпозиум по фотоники и электромагнитности. Тема доклада: «Технологические особенности графеновых радиочастотных выключателей на основе графена на подложке GaN».

12. Июнь 2019 6-я однодневная международная конференц-школа молодых ученых «Передовые углеродные наноструктуры и методы их диагностики». Тема доклада: «Использование графена в качестве буферного

слоя для ПА-МЛЭ Ш-нитридов на разных аморфных подложках».

11

13. Июнь 2019 9-е издание крупнейшей европейской конференции и выставки по графену и 2D-материалам. Тема доклада: «Использование графена в качестве буферного слоя для ПА-МЛЭ Ш-нитридов для высокочастотных устройств на разных аморфных подложках».

14. Май 2018 9-ая Международная научно-практическая конференция по физике и технологии наногетероструктурной СВЧ-электроники «МОКЕРОВСКИЕ ЧТЕНИЯ» Тема доклада: «Молекулярно-лучевая эпитаксия нитрида галлия на графене».

15. Ноябрь 2018 Международный симпозиум по нитридным полупроводникам (IWN). Тема доклада: «Молекулярно-лучевая эпитаксия GaN и AlN на графене».

Публикации

По теме диссертации опубликовано 4 статьи в рецензируемых научных изданиях, которые входят в базы научных данных Scopus и Web of Science, и имеющих квартили Q2 (три работы), Q4 (одна работа); 1 статья в сборнике трудов конференции, индексируемая в системах цитирования CPCI-S Web of Science и Scopus:

1. Borisenko D.P., Kargin N.I., Rybin M.G. Raman spectroscopy of multilayer graphene structures with different twist angles between layers, // Journal of applied spectroscopy/ 2025. V. 92, P. 4 (Web of Science и Scopus Q4)

2. Borisenko D.P., Gusev A.S., Kargin N.I., Dobrokhotov P.L., Timofeev A.A., Labunov V.A., Mikhalik M.M., Katin K.P., Maslov M.M., Dzhumaev P.S. Few-Layer Graphene as an Efficient Buffer for GaN/AlN Epitaxy on a SiO2/Si Substrate: A Joint Experimental and Theoretical Study // Applied Sciences (Switzerland)/ 2022. V. 12(22). P. (Web of Science, Scopus) (Web of Science и Scopus Q2)

3. Borisenko D.P., Gusev A.S., Kargin N.I., Dobrokhotov P.L.,

Timofeev A. A., Labunov V.A., Kovalchuk N.G., Mikhalik M.M.,

Komissarov I.V. Effect of graphene domains orientation on quasi van der Waals

12

epitaxy of GaN // Journal of Applied Physics. 2021. V. 130(18). P. 185304. (Web of Science и Scopus Q2)

4. Litun Y., Litun V., Kononenko O. and Borisenko D. Technological Features of Graphene-based RF NEMS Capacitive Switches on a Semi-insulating Substrate // Progress in Electromagnetics Research Symposium. 2019. V.9017225. P.3666-3672. (статья в сборнике трудов конференции CPCI-S Web of Science и Scopus)

5. Borisenko D.P., Gusev A.S., Kargin N.I., Labunov V.A., Komissarov I.V. Plasma assisted-MBE of GaN and AlN on graphene buffer layers // Japanese Journal of Applied Physics. 2019. V. 58(SC). P. SC1046. (Web of Science и Scopus Q2)

Патенты

Опубликован патент на изобретение: Семкин В. А., Капралов К.Н., Свинцов Д.А., Бочаров А.Ю., Кащенко М.А., Домарацкий И.К., Мазуренко И.М., Мыльцев В.Н., Кононенко О.В., Борисенко Д.П., Поляризационно-разрешающий фотодетектор и способ одновременного определения интенсивности и угла линейной поляризации излучения поляризационно-разрешающим фотодетектором // Патент РФ №2842161, опубликовано 23.06.2025 .

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, литературного обзора; четырёх глав, включающих описание материалов и методов исследования, а также содержащих анализ оригинальных экспериментальных результатов; заключения, списка публикаций автора и перечня цитируемой литературы. Работа изложена на 201 страницах и содержит 81 рисунок, 6 таблиц, 173 источника литературы.

Глава 1

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 1.1. Графен

В неорганических соединениях атомы углерода могут располагаться в различных комбинациях, образуя многочисленные структуры, а именно аллотропы углерода. Графит - широко известный материал для карандашей, активно используют в качестве нагревателей и в других технологических направлениях промышленности. Отдельный единичный лист углерода, образует двумерный (2D) материал - графен [1]. В 2004 году слои графена из образцов пиролитического графита были отделены методом отслоения клейкой ленты [1-2]. Спустя шесть лет учёным была присуждена Нобелевская премия по физике за «новаторские эксперименты с двумерным материалом графеном».

Графен представляет собой один слой атомов углерода с sp2-гибридизацией, объединённых в гексагональной структуре [1-5] (рисунок 1.1). Это прекрасный пример двумерной электронной системы для физиков; элегантная форма двумерной органической макромолекулы, состоящей из бензольных колец, для химиков; материал с огромными возможностями для инженера, благодаря своим превосходным электрическим, магнитным, тепловым, оптическим и механическим свойствам.

Для слоёв графена или нанолент характерно наличие разных форм кромок, которые в дальнейшем могут значительно определять электрофизические свойства. Можно выделить две разновидности нанолент: угловатые графеновые наноленты и зигзагообразные графеновые наноленты, показанные на рисунок 1.2 (в).

Рисунок 1.1. (а-б) Модель кристаллической решётки графена с обозначением параметра постоянной решётки. (в) Снимок ПЭМ решётки

графена [3].

Интересным является ещё и то, что при наложении слоёв графена в разных конфигурациях можно получать материалы, отличающиеся по своим электрофизическим и механическим свойствам. Примером является двухслойный графен с поворотом одного слоя относительно другого на разные углы [6].

(а)

Графен

(б) (в)

<-<-< * * с—с « г—«; е—

ГмТГм>

< <нК У*Ч г-Ж УЖ

Тип Зигзаг

ССССОд

» в *.' в >вг

Ь X. л < < <

Рисунок 1.2. (а-б) Модель одного слоя графена и двухслойной структуры с Берналовской упаковкой. (в) Модели решётки графена с дугообразными и

зигзагообразными краями.

1.1.1. Электрофизические свойства графена

Поскольку графен - это атомарная плоскость графита, он был известен людям в виде залежей графита по всему земному шару, по крайней мере, в течение нескольких столетий, и был фактически открыт с момента изобретения рентгеновской кристаллографии. Было важно выделить этот атомный слой и, что гораздо важнее, показать, что с этим уникальным материалом можно работать и реализовывать приборные структуры. Первоначальная теоретическая попытка изучить его двумерную электронную структуру была предпринята в 1947 году [7], за которой последовало ее распространение на электронную структуру трехмерного графита [8]. Результаты показали, что графен является полуметаллом, то есть имеет нулевую запрещенную зону, с линейной дисперсией вокруг химического потенциала. Валентная зона и зона проводимости графена сохраняют форму конических поверхностей (рисунок 1.3). Эти поверхности контактируют друг с другом в определенной точке, называемой точкой Дирака. Таким образом, в однослойную графеновую систему не вводится запрещенная зона. В отсутствие внешнего воздействия валентная зона графена полностью занята, а зона проводимости полностью обеднена электронами. Это был довольно неожиданный результат, поскольку большинство волн материи имеют квадратичную дисперсию в соответствии с уравнением Шредингера, которое имеет первый порядок во времени и второй порядок в пространстве. В простейшей модели это приводит к следующей дисперсии для зон проводимости и валентной зоны соответственно:

А 2 I г. II2

= , (1.1)

где ЕСгР - границы зоны проводимости и валентной зоны, а эффективные массы электронов в зоне проводимости и дырок в валентной

зоне соответственно. Для Ес = ЕТ1 ширина запрещенной зоны равна нулю, однако дисперсия все равно остается квадратичной.

(а)

Рисунок 1.3. Зонная структура графена

В отличие от уравнения Шредингера, дисперсия для уравнения Дирака равна:

где c - скорость света, а т - релятивистская масса. Графики положительной и отрицательной дисперсии показаны на рисунке 1.3, которые показывают зависящий от массы промежуток в 2mc между положительной энергией вещества (в данном случае электрона) и отрицательной энергией антиматерии (позитрона) - произведение mc2 на электрон составляет около 0.512 МэВ. В предельном случае m = 0, очевидно, зазор становится равным нулю. Кроме того, (1.2) становится:

Этот зазор изображен на рисунок 1.3, демонстрирующий линейную дисперсию с нулевой запрещенной зоной, энергетическую шкалу порядка МэВ и скорость, равную скорости света.

(1.2)

Е0(к) = ±Г1ф'|

(1.3)

Зонная структура графена, рассчитанная с помощью МаШетайса, показана на рисунке 1.3, которая соответствует следующему уравнению, основанному на описании плотного связывания [9]:

где асс =1.42 А - длина связи С-С, а ? - первый параметр плотной связи с ближайшим соседом (О =графена). Очевидно, что ширина запрещенной зоны равна нулю, а дисперсия линейна вокруг точек, где зоны проводимости и валентности встречаются с перенормированной скоростью и, что приводит к:

Ео(к) = ± Т\у\к\ (1.5)

Аналогично дисперсии Дирака в (1.3). Эта аналогия привела к предположению, что электроны и дырки ведут себя как фермионы Дирака в графене с нулевой массой и, следовательно, нулевым зазором. Другими словами, носители заряда представляют собой безмассовые релятивистские фермионы Дирака с точкой пересечения зон проводимости и валентности, обозначенной как точка Дирака, и конусами рассеяния, обычно называемыми конусами Дирака (рисунок 1.3).

Генерация запрещенной зоны графена очень важна для разработки

устройств на основе графена. При комнатной температуре подвижность

носителей в суспендированном графене в основном ограничивается

акустическим электрон-фононным рассеянием [10-11]. При

низкотемпературных измерениях подвижность носителей заряда в графене

достигала не менее 200000 см2-В-1-с-1 с учетом подвешенных листов графена

[12]. В практических применениях значения подвижности носителей заряда

гораздо ниже, поскольку подложки, на которые переносится графен могут

способствовать процессу рассеяния носителей заряда. Однако графен по-

прежнему хорошо подходит для высокоскоростной высокочастотной

электроники [13]. Проводимость графена чувствительна к адсорбции других

18

частиц на его поверхность, что делает монослой пригодным для высокочувствительного обнаружения газовых молекул [14]. Монослойный графен бесцветен, а его светопоглощение составляет всего 2.3 % в видимом спектре [15]. Будучи материалом с нулевой зазором, графен не очень хорошо подходит в качестве эмиттера. Однако было продемонстрировано, что запрещенная зона в графене может быть индуцирована электрическим полем, если будет изготовлена двухслойная структура графена. Кроме того, некоторые оптоэлектронные приложения могут использовать преимущества как межзонных, так и внутризонных оптических переходов в графене [16].

Плотность носителей графена является электростатически перестраиваемой, а электропроводность, которая описывает способность графена к токопроводимости, достигает минимума порядка 4е2/Ь. Здесь е -элементарный заряд, Ь - постоянная Планка.

Графен также проявляет аномальный квантовый эффект Холла в сильных магнитных полях даже при комнатной температуре [17]. Квантованная холловская проводимость графена задается как:

где N - уровень Ландау. Отмечено, что электроны и дырки, по-видимому, имеют практически одинаковую подвижность в подвешенном графене, что отличается от того, что наблюдалось в кремнии [18]. Когда графен переносится на подложку SiO2, внешнее поверхностное фононное рассеяние, вносимое SiO2, значительно снижает его максимально достижимую подвижность при комнатной температуре до 40000 см2/В-с [19]. Наблюдалось, что подвижность графена на подложке SiO2 уменьшается с ростом температуры из-за тепловых эффектов [20]. Подвижность носителей заряда может дополнительно приблизиться к внутреннему пределу комнатной температуры (то есть 200000 см2/В-с) с использованием альтернативных подложек и плёнок, таких как Ь-БК [21].

1.1.2. Структурные и механические свойства графена

Углерод является шестым элементом в периодической таблице Менделеева, его электронная конфигурация в основном состоянии составляет 1s22s22Px12Py12Pz0 (рисунок 1.4 (а)). Как видно на рисунке 1.4 (а), ядро атома углерода окружено шестью электронами, четыре из которых являются валентными. Эти электроны в валентной оболочке углерода могут образовывать три типа гибридизации, а именно sp, sp2 и sp3. На рисунке 1.4(б) показано образование sp2 гибридизации. Когда атомы углерода делятся sp2-электронами с тремя соседними атомами углерода, они образуют слой гексагональной плоской структуры, который образует монослойным графен. Элементарная ячейка кристалла графена, обозначенная на рисунке 1.4(в),

-Э

содержит два атома углерода, а векторы элементарной ячеики и й2 имеют одинаковую постоянную решетки 2.464 А (рисунок 1.5).

(а) (б) (в) # # м

А В

Рисунок 1.4. (а) Структура атома углерода и (б) образование химической

связи в решётке графена (в)

При типичной sp2-гибридизации двух соседних атомов углерода в слое графена (рисунок 1.4 (б)) внеплоскостная п-связь образуется орбиталями 2р2, которые перпендикулярны плоской структуре, в то время как внутриплоскостная а-связь образуется sp2 2рх и 2ру) гибридизованными

орбиталями. Полученная ковалентная а-связь имеет короткую межатомную длину ~1.42 А, что делает ее даже прочнее, чем sp3-гибридизованные углерод-углеродные связи в алмазах, это и придает монослойному графену замечательные механические свойства (например, модуль Юнга составляет 1 ТПа, а предел прочности при растяжении - 130.5 ГПа [22]). В монослойном графене зона проводимости и валентная зона с нулевой запрещенной зоной образуются благодаря полузаполненной п-зоне, которая позволяет электронам свободно перемещаться. Кроме того, п-связи обеспечивают слабое Ван-дер-Ваальсово взаимодействие между соседними слоями графена в двухслойном и многослойном графене.

Особая сигма связь (а) (рисунок 1.4 (б)) между расположенными рядом атомами углерода приводит к удивительной прочности монослойного графена. Благодаря этой прочности графен привлекает значительное внимание как в качестве отдельного материала, так и в качестве армирующего компонента в различных композитах [23]. «Внутренняя прочность» бездефектного графена связана с «максимальным напряжением» подвешенной графеновой мембраны перед ее разрушением [24].

Рисунок 1.5. (а) Структура Решётки Браве и (б) обратная решётка графена

В гексагональной решетке однослойного графена, как показано на рисунке 1.5 (а), два примитивных вектора решетки записаны в виде:

а1 = -(1,л/3)иа2 = -(1, -у/3)

(1.7)

Где а = V 3 а0 ~ л/3 х1.42 = 2.464А постоянная решетки, которая представляет собой расстояние между элементарными ячейками. Вектор положения атома В1г (I = 1,2рЗ)относительно атома А, обозначается как и |, а три вектора ближайших соседей в реальном пространстве задаются как

(1.8)

1^11= ¿2|= |5з|=1|, это расстояние между двумя ближайшими

соседними атомами углерода. На рисунке 1.5 (б) показана обратная решетка однослойного графена. Примитивные векторы \Ь\\ и Ьг обратной решетки удовлетворяют условиям,

Следовательно:

, ,2тг 2тг т> Лтг 2л .

Ь\ = (—, —=) иЬ2 = (—- —¡=)

(1.10)

В зависимости от количества слоёв, графен классифицируют как однослойный, двухслойный и многослойный (рисунок 1.6) [25]. Однослойный графен представляет собой один слой атомов углерода, каждый из которых связан с тремя соседними атомами в виде ячеистой структуры. Согласно признанному стандарту графена [25], многослойным графеном считается двумерный материал, состоящий из 3^10 чётко

22

расположенных графеновых слоёв (рисунок 1.6). В случае роста графена на никелевом катализаторе, существуют возможности получения графена и с большим количеством слоёв (~50). Графитом, при этом, считается аллотропная форма элемента углерод, состоящая из графеновых слоёв, уложенных параллельно друг другу в трехмерном кристаллическом порядке на большие расстояния.

В настоящее время графен является одним из наиболее перспективных материалов в нанотехнологиях. Хотя о влиянии структурных дефектов графеновых наноструктур имеется небольшое количество работ, существует несоответствие между идеальным графеном и его выдающимися свойствами, прогнозируемыми теорией. На небольших отделённых образцах были проведены многочисленные лабораторные исследования, демонстрирующие его уникальные свойства [26 - 30]. Поскольку бездефектных материалов не существует, важно понимать механизмы их создания и влияние на свойства материала, поскольку при целенаправленном и организованном использовании они могут даже стать желательными и подходящими для некоторых новых решений [31].

3-50 слоев

Однослойный Графен Двухслойный Графен Многослойный Графен

Рисунок 1.6. Разновидности кристаллов графена в зависимости от

количества слоёв

Различные виды дефектов могут образовываться самоорганизованно, возникая в процессе производства в зависимости от температуры и используемых химических реагентов, а также могут быть искусственно введены для изменения свойств материала. Наличие напряжений в решётке графена могут быть недостатком, поскольку это увеличивает количество возможных видов дефектов. Вероятность и причины их возникновения ещё обсуждаются и исследуются учёными. Атомы углерода в двумерной ячеистой структуре графена обладают способностью перестраивать и перемещать гексагональную решетку, образуя не гексагональные углеродные кольца. Дефекты в графене создают сеть двойных связей углерод-углерод, количество которых в значительной степени зависит от технологии, используемой для производства графена [32]. Точечные дефекты, нарушающие симметрию, обычно располагаются в плоскости графена и содержат вакансии и примеси внедрения или замещения. В любом случае, вариации в структуре графена обусловлены отсутствием одного или более чем одного sp2-атома углерода или наличием одного или более чем одного разнородного атома, имеющего sp3-гибридизацию. Дефекты также могут перемещаться, что влияет на свойства кристалла. Дефекты изменяют электронную структуру и восприимчивость к химическим реакциям, которые изменяют химическую реакционную способность графена [33]. Простым примером реконструкции в плоскости является дефект 5-7-7-5 Стоуна-Уэльса, который возникает при повороте двух атомов углерода на 90°, что приводит к преобразованию четырёх колец 6-С в два семиугольника и два пятиугольника (рисунок 1.7 (б)). Второй вариант дефекта - отсутствие атома кристаллической решетки (одиночная вакансия). Чтобы уменьшить общую энергию системы, вызванную нелинейными атомными перестройками (искажение Яна-Теллера), две из трёх связей смещаются в сторону потерянного атома, что приводит к созданию двух новых колец, одно из которых содержит пять, а второе - девять атомов С (5 - 9) (рисунок 1.7 (в)).

Другие виды дефектов изменяют заряд графена на отрицательный или положительный, или изменяют полный атомный вес всего кристаллита. На самом деле, эти дефекты нарушают подвижность заряда, но при ознакомлении с ними, процесс переноса заряда намеренно упрощается. Эти примеси могут быть внедрены в решетку графена путем функционализации или замещения некоторых исходных атомов углерода (рисунок 1.7 (г)).

Легирование графена может быть достигнуто путем модификации внутренних дефектов или с помощью добавления удалённых атомов в структуру графена [34].

Рисунок 1.7. Разновидности структурных дефектов в решётке графена.

Свойства графена зависят от связей между графеном и чужеродными атомами. Если атомные взаимодействия определяются силами Ван-дер-Ваальса, то связь между атомами довольно слабая. Когда чужеродный атом

значительно сильнее. Крестообразная и зигзагообразная конфигурации границ плёнки графена являются двумя основными существующими типами (рисунок 1.2 (в)) и проявляют различные магнитные и электрические свойства [35 - 36].

ковалентно соединяется с атомом углерода, то взаимодействие будет

1.1.3. Методы получения графена

Графен и другие 2D-материалы обладают превосходными и уникальными свойствами, такими как высокие подвижности носителей заряда, более востребованные оптические свойства (поглощение в широком диапазоне длин волн, сильное взаимодействие со светом и оптическая прозрачность), механическая гибкость и вероятность отсутствия поверхностных связей. Однако рентабельное крупномасштабное производство и обработка оптоэлектронных устройств на основе кремния наряду с другими преимуществами делает его незаменимым материалом полупроводниковой промышленности на данный момент. Если экзотические свойства двухмерных материалов когда-либо будут использоваться для крупномасштабных коммерческих продуктов, то ключом к разнообразному применению будет являться масштабируемый крупномасштабный производственный процесс двухмерных материалов на различных подложках.

Рисунок 1.8. Блок-схема процессов синтеза графена

Организация полного цикла производства новых типов устройств с использованием только 2D-материалов на данный момент достаточно трудоёмкая задача. В связи с этим, интеграция 2D-материалов с текущими линиями изготовления кремния является альтернативным решением для инженерных усилий, которое может раскрыть истинный рыночный потенциал различных устройств на основе 2D-материалов. Интеграция этих материалов с традиционными линиями полупроводниковой промышленности влечёт за собой ряд аспектов, включая синтез, перенос, осаждение диэлектриков и изготовление металлических контактов.

При подходе сверху вниз графеновые листы отшелушиваются (отделяются) от графитового материала (пиролитического графита). Это достигается путём преодоления силы Ван-дер-Ваальса между графитовыми слоями. При подходе снизу-вверх графен синтезируется из углеродсодержащего источника. Такие методы, как микромеханическое расслоение, химическое расслоение оксида графита, классифицируются как нисходящие методы, в то время как химическое осаждение из газовой фазы и эпитаксиальный рост графена классифицируются как восходящие методы. В этом разделе будут рассмотрены четыре основных метода синтеза, широко применяемых в исследованиях графена.

Метод микромеханического отшелушивания для получения графена является достаточно дешёвым и простым. В результате получается графен высокого качества небольших размеров, хорошо подходящий для проведения фундаментальных исследований в научных лабораториях [37 - 40].

Метод химического синтеза в основном применяется на основе растворов при низких температурах, и поэтому он обладает большой гибкостью на многочисленных подложках, используемых для непосредственного производства, а также масштабируемостью графеновой плёнки. Однако химический способ получения графена имеет множество ограничений [41].

Метод Описание Преимущества/Недостатки

Подход «сверху - вниз»

1. Электрохимическое отслаивание Отслаивание графита осуществляется из раствора электролита (например, Ш804-К0И, поверхностно-активного вещества). В результате получается смесь чешуек графита разной толщины, из которых методом центрифугирования можно выделить несколько слоёв графена. Молекулы поверхностно-активных веществ довольно трудно удалить, и они влияют на электрохимические и электрические свойства графена.

2. Микромеханическое расщепление Самый первый подход, для отделения графена от графита клейкой лентой. Включает многократное расщепление и позволяет получать графен с разным количеством слоёв Высококачественные листы графена. Медленный подход, используемый в основном для фундаментальных исследований свойств графена.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Борисенко Денис Петрович, 2025 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Novoselov K.S. (2004). Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films. Science, 306(5696), 666-669.

2. Novoselov K.S., Geim A.K., Morozov S.V., Jiang D., Katsnelson M.I., Grigorieva I.V., Firsov A.A. (2005). Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene. Nature, 438(7065), 197-200.

3. Ryu J., Kim Y., Won D., Kim N., Park J. S., Lee E.-K., Cho S. (2014). Fast Synthesis of High-Performance Graphene Films by Hydrogen-Free Rapid Thermal Chemical Vapor Deposition. ACS Nano, 8(1), 950-956.

4. Parente J. M., Santos P., Valvez S., Silva M. P., Reis P. N. B. (2020). Fatigue behaviour of graphene composites: An overview. Procedia Structural Integrity, 25, 282-293.

5. Thomas D.-G., Kavak E., Hashemi N., Montazami R., Hashemi N. (2018). Synthesis of Graphene Nanosheets through Spontaneous Sodiation Process. C, 4(3), 42.

6. Andrei E. Y., MacDonald A. H. (2020). Graphene bilayers with a twist. Nature Materials, 19(12), 1265-1275.

7. Wallace P. R. (1947). The Band Theory of Graphite. Physical Review, 71(9), 622-634.

8. Yamazaki M. (1957). Electronic Band Structure in Graphite. The Journal of Chemical Physics, 26(4), 930-934.

9. R. Saito, G. Dresselhaus and M.S. Dresselhaus. (1998). Physical Properties of Carbon Nanotubes. Imperial College Press.

10. Castro Neto A. H., Guinea F., Peres N. M. R., Novoselov K. S., Geim A. K. (2009). The electronic properties of graphene. Reviews of Modern Physics, 81(1), 109-162.

11. E. V. Castro, H. Ochoa, M. I. Katsnelson, R. V. Gorbachev, D. C. Elias, K. S. Novoselov, A. K. Geim, and F. Guinea, Limits on charge carrier

mobility in suspended graphene due to flexural phonons, Phys. Rev. Lett. 105, 266601 (2010).

12. Bolotin K. I., Sikes K. J., Jiang Z., Klima M., Fudenberg G., Hone J., Stormer H. L. (2008). Ultrahigh electron mobility in suspended graphene. Solid State Communications, 146(9-10), 351-355.

13. Wu Y., Jenkins K. A., Valdes-Garcia A., Farmer D. B., Zhu Y., Bol A. A., Lin Y.-M. (2012). State-of-the-Art Graphene High-Frequency Electronics. Nano Letters, 12(6), 3062-3067.

14. Schedin F., Geim A. K., Morozov S. V., Hill E. W., Blake P., Katsnelson M. I., Novoselov K. S. (2007). Detection of individual gas molecules adsorbed on graphene. Nature Materials, 6(9), 652-655.

15. Jiang X., Wang, T., Xiao, S., Yan X., Cheng, L. (2017). Tunable ultra-high-efficiency light absorption of monolayer graphene using critical coupling with guided resonance. Optics Express, 25(22), 27028.

16. Avouris, P., Freitag, M. (2014). Graphene Photonics, Plasmonics, and Optoelectronics. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 20(1), 72-83.

17. Novoselov, K. S., Jiang, Z., Zhang, Y., Morozov, S. V., Stormer, H. L., Zeitler, U., Geim, A. K. (2007). Room-Temperature Quantum Hall Effect in Graphene. Science, 315(5817), 1379-1379.

18. Kotin, I. A., Antonova, I. V., Komonov, A. I., Seleznev, V. A., Soots, R. A., Prinz, V. Y. (2013). High carrier mobility in chemically modified graphene on an atomically flat high-resistive substrate. Journal of Physics D: Applied Physics, 46(28), 285303.

19. Lv, H., Wu, H., Liu, J., Yu, J., Niu, J., Li, J., Qian, H. (2013). High carrier mobility in suspended-channel graphene field effect transistors. Applied Physics Letters, 103(19), 193102.

20. Dorgan, V. E., Bae, M.-H., Pop, E. (2010). Mobility and saturation velocity in graphene on SiO2. Applied Physics Letters, 97(8), 082112.

21. Lee, C., Wei, X., Kysar, J. W., Hone, J. (2008). Measurement of the Elastic Properties and Intrinsic Strength of Monolayer Graphene. Science, 321(5887), 385-388.

22. Sahoo, S. (2018). Graphene in the Domain of Construction: A Review of Applications and Prospects. Sustainable Construction and Building Materials, 325-334.

23. T. Zhang, X. Gao, J. Li, L. Xiao, H. Gao, F. Zhao, H. Ma. (2024). Progress on the application of graphene-based composites toward energetic materials: a review, Def. Technol., 31, pp. 95-116

24. Lavorato C, Fontananova E. (2023). An Overview on Exploitation of Graphene-Based Membranes: From Water Treatment to Medical Industry, Including Recent Fighting against COVID-19. Microorganisms. Jan 25;11(2):310.

25. SINGAPORE STANDARD - SS 643-4:2019. Structural characterisation of graphene flakes - Part 4: Determination of number of layers in graphene flakes by atomic force microscopy. ICS 07.120; 59.100.20.

26. Sharma, N., Dev Gupta, R., Chandmal Sharma, R., Dayal, S., Singh Yadav, A. (2021). Graphene: An overview of its characteristics and applications. Materials Today: Proceedings.

27. Abergel, D. S. L., Apalkov, V., Berashevich, J., Ziegler, K., Chakraborty, T. (2010). Properties of graphene: a theoretical perspective. Advances in Physics, 59(4), 261-482.

28. Choi, S.-H. (2017). Unique properties of graphene quantum dots and their applications in photonic/electronic devices. Journal of Physics D: Applied Physics, 50(10), 103002.

29. Chung, C., Kim, Y.-K., Shin, D., Ryoo, S.-R., Hong, B. H., Min, D.-H. (2013). Biomedical Applications of Graphene and Graphene Oxide. Accounts of Chemical Research, 46(10), 2211-2224.

30. Rao, C. N. R., Biswas, K., Subrahmanyam, K. S., Govindaraj, A. (2009). Graphene, the new nanocarbon. Journal of Materials Chemistry, 19(17), 2457.

31. Cheng, H., Hu, C., Zhao, Y., Qu, L. (2014). Graphene fiber: a new material platform for unique applications. NPG Asia Materials, 6(7), e113-e113.

32. M. D. Bhatt, H. Kim and G. Kim. (2022). Various defects in graphene: a review RSC Adv., 12, 21520-21547.

33. Boukhvalov, D. W., Katsnelson, M. I. (2008). Chemical Functionalization of Graphene with Defects. Nano Letters, 8(12), 4373-4379.

34. Banhart, F., Kotakoski, J., Krasheninnikov, A. V. (2010). Structural Defects in Graphene. ACS Nano, 5(1), 26-41.

35. ZHOU, J., HUANG, R. (2008). Internal lattice relaxation of single-layer graphene under in-plane deformation. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 56(4), 1609-1623.

36. Novoselov, K. S. (2004). Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films. Science, 306(5696), 666-669.

37. Novoselov, K. S., Jiang, D., Schedin, F., Booth, T. J., Khotkevich, V. V., Morozov, S. V., Geim, A. K. (2005). Two-dimensional atomic crystals. Proceedings of the National Academy of Sciences, 102(30), 10451-10453.

38. Cao, C., Sun, Y., Filleter, T. (2014). Characterizing mechanical behavior of atomically thin films: A review. Journal of Materials Research, 29(03), 338-347.

39. Adetayo, A. and Runsewe, D. (2019). Synthesis and fabrication of graphene and graphene oxide: A review, Open J. Compos. Mater., vol. 9, pp. 207-229.

40. Macedo, L. J. A., Iost, R. M., Hassan, A., Balasubramanian, K., Crespilho, F. N. (2018). Bioelectronics and Interfaces Using Monolayer Graphene. ChemElectroChem.

41. Poh, H. L., Sanek, F., Ambrosi, A., Zhao, G., Sofer, Z., Pumera, M. (2012). Graphenes prepared by Staudenmaier, Hofmann and Hummers methods with consequent thermal exfoliation exhibit very different electrochemical properties. Nanoscale, 4(11), 3515.

42. Chen X, Qu Z, Liu Z, Ren G. (2022). Mechanism of Oxidization of Graphite to Graphene Oxide by the Hummers Method. ACS Omega. Jun 28;7(27):23503-23510.

43. Yazdi, G., Iakimov, T., Yakimova, R. (2016). Epitaxial Graphene on SiC: A Review of Growth and Characterization. Crystals, 6(5), 53.

44. Shtepliuk, I., Yakimova, R. (2021). Interaction of H and Li with epitaxial graphene on SiC: A comparative analysis by first principles study. Applied Surface Science, 568, 150988.

45. Yazdi, G. R., Vasiliauskas, R., Iakimov, T., Zakharov, A., Syvajarvi, M., Yakimova, R. (2013). Growth of large area monolayer graphene on 3C-SiC and a comparison with other SiC polytypes. Carbon, 57, 477-484.

46. Chen, X., Zhang, L., Chen, S. (2015). Large area CVD growth of graphene. Synthetic Metals, 210, 95-108.

47. Saeed, M., Alshammari, Y., Majeed, S. A., Al-Nasrallah, E. (2020). Chemical Vapour Deposition of Graphene—Synthesis, Characterisation, and Applications: A Review. Molecules, 25(17), 3856.

48. Yang, X., Zhang, G., Prakash, J., Chen, Z., Gauthier, M., Sun, S. (2019). Chemical vapour deposition of graphene: layer control, the transfer process, characterisation, and related applications. International Reviews in Physical Chemistry, 38(2), 149-199.

49. Li, K., He, C., Jiao, M., Wang, Y., Wu, Z. (2014). A first-principles study on the role of hydrogen in early stage of graphene growth during the CH4 dissociation on Cu(111) and Ni(111) surfaces. Carbon, 74, 255-265.

50. Losurdo, M., Giangregorio, M. M., Capezzuto, P., Bruno, G. (2011).

Graphene CVD growth on copper and nickel: role of hydrogen in kinetics and

structure. Physical Chemistry Chemical Physics, 13(46), 20836.

180

51. Xu, J., Saeys, M. (2009). First Principles Study of the Effect of Carbon and Boron on the Activity of a Ni Catalyst. The Journal of Physical Chemistry C, 113(10), 4099-4106.

52. Lee, E., Baek, J., Park, J. S., Kim, J., Yuk, J. M., Jeon, S. (2018). Effect of nucleation density on the crystallinity of graphene grown from mobile hot-wire-assisted CVD. 2D Materials.

53. Magnuson, C. W., Kong, X., Ji, H., Tan, C., Li, H., Piner, R., ... Ruoff, R. S. (2014). Copper oxide as a "self-cleaning" substrate for graphene growth. Journal of Materials Research, 29(03), 403-409.

54. Liu, L., Zhou, H., Cheng, R., Chen, Y., Lin, Y.-C., Qu, Y., ... Duan, X. (2012). A systematic study of atmospheric pressure chemical vapor deposition growth of large-area monolayer graphene. J. Mater. Chem., 22(4), 14981503.

55. Mbayachi, V. B., Ndayiragije, E., Sammani, T., Taj, S., Mbuta, E. R., Khan, A. ullah. (2021). Graphene synthesis, characterization and its applications: A review. Results in Chemistry, 3, 100163.

56. Baek, J., Kim, J., Kim, J., Shin, B., Jeon, S. (2018). Growth of graphene on non-catalytic substrate by controlling the vapor pressure of catalytic nickel. Carbon.

57. Ghosh, P., Kumar, S., Ramalingam, G., Kochat, V., Radhakrishnan, M., Dhar, S., Raghavan, S. (2015). Insights on Defect-Mediated Heterogeneous Nucleation of Graphene on Copper. The Journal of Physical Chemistry C, 119(5), 2513-2522.

58. Liu, J., Huang, Z., Lai, F., Lin, L., Xu, Y., Zuo, C., Qu, Y. (2015). Controllable Growth of the Graphene from Millimeter-Sized Monolayer to Multilayer on Cu by Chemical Vapor Deposition. Nanoscale Research Letters, 10(1).

59. Wang, H., Zhou, Y., Qi, M., Liu, C., Xu, X. L., Ren, Z. (2018). Direct Growth of Graphene on Fused Quartz by Atmospheric Pressure Chemical

Vapor Deposition With Acetylene. The Journal of Physical Chemistry C.

181

60. Huang, M., Deng, B., Dong, F., Zhang, L., Zhang, Z., Chen, P. (2021). Substrate Engineering for CVD Growth of Single Crystal Graphene. Small Methods, 5(5), 2001213.

61. Keramiotis, C., Vourliotakis, G., Skevis, G., Founti, M. A., Esarte, C., Sánchez, N. E., ... Alzueta, M. U. (2012). Experimental and computational study of methane mixtures pyrolysis in a flow reactor under atmospheric pressure. Energy, 43(1), 103-110.

62. Lagerstedt, O., Monemar, B. (1979). Variation of lattice parameters in GaN with stoichiometry and doping. Physical Review B, 19(6), 3064-3070.

63. Schlichting, S., Honig, G. M. O., MüBener, J., Hille, P., Grieb, T., Westerkamp, S., ... Callsen, G. (2018). Suppression of the quantum-confined Stark effect in polar nitride heterostructures. Communications Physics, 1(1).

64. Calahorra, Y., Spiridon, B., Wineman, A., Busolo, T., Griffin, P., Szewczyk, P. K., Kar-Narayan, S. (2020). Enhanced piezoelectricity and electromechanical efficiency in semiconducting GaN due to nanoscale porosity. Applied Materials Today, 21, 100858.

65. Sezer, N., Ko?, M. (2020). A Comprehensive Review on the State-of-the-Art of Piezoelectric Energy Harvesting. Nano Energy, 105567.

66. Chen, J., Nabulsi, N., Wang, W., Kim, J. Y., Kwon, M.-K., Ryou, J.-H. (2019). Output characteristics of thin-film flexible piezoelectric generators: A numerical and experimental investigation. Applied Energy, 255, 113856.

67. Satoh, T., Osawa, K., Nitta, A. (2018). GaN HEMT for Space Applications. 2018 IEEE BiCMOS and Compound Semiconductor Integrated Circuits and Technology Symposium (BCICTS)

68. Furqan, C. M., Khan, M. U., Awais, M., Jiang, F., Bae, J., Hassan, A., Kwok, H.-S. (2021). Humidity sensor based on Gallium Nitride for real time monitoring applications. Scientific Reports, 11(1).

69. Waseem, A., Johar, M. A., Hassan, M. A., Bagal, I. V., Abdullah, A., Ha, J.-S., Ryu, S.-W. (2021). Flexible self-powered piezoelectric pressure

sensor based on GaN/p-GaN coaxial nanowires. Journal of Alloys and Compounds, 872, 159661.

70. Guo, Z., Wang, L., Hao, Z., Luo, Y. (2012). pH sensor based on an AlGaN/GaN HEMT structure. Procedia Engineering, 27, 693-697.

71. S. A. Eliza and A. K. Dutta, "Ultra-high sensitivity gas sensors based on GaN HEMT structures," International Conference on Electrical Computer Engineering (ICECE 2010), Dhaka, Bangladesh, 2010, pp. 431-433.

72. Sheridan, P., Lu, W. (2014). Memristors and Memristive Devices for Neuromorphic Computing. Memristor Networks, 129-149.

73. Pozina, G., Khromov, S., Hemmingsson, C., Hultman, L., Monemar, B. (2011). Effect of silicon and oxygen doping on donor bound excitons in bulk GaN. Physical Review B, 84(16).

74. Cheng, G. (2020). The Difficulty and Solution of Mg-doped in GaN. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 729, 012002.

75. Guo, W., Xie, J., Akouala, C., Mita, S., Rice, A., Tweedie, J., ... Sitar, Z. (2013). Comparative study of etching high crystalline quality AlN and GaN. Journal of Crystal Growth, 366, 20-25.

76. Fei, C., Liu, X., Zhu, B., Li, D., Yang, X., Yang, Y., Zhou, Q. (2018). AlN piezoelectric thin films for energy harvesting and acoustic devices. Nano Energy, 51, 146-161.

77. Zhou, C., Ghods, A., Saravade, V. G., Patel, P. V., Yunghans, K. L., Ferguson, C., ... Ferguson, I. T. (2017). Review—The Current and Emerging Applications of the III-Nitrides. ECS Journal of Solid State Science and Technology, 6(12), Q149-Q156.

78. C. B. Karuthedath, A. T. Sebastian, J. Saarilahti, T. Sillanpaa and T. Pensala, "Design and Fabrication of Aluminum Nitride Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducers for Air Flow Measurements," 2019 IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS), Glasgow, UK, 2019, pp. 2489-2492.

79. Hou, Y., Zhang, M., Han, G., Si, C., Zhao, Y., Ning, J. (2016). A review: aluminum nitride MEMS contour-mode resonator. Journal of Semiconductors, 37(10), 101001.

80. Assali, A., Laidoudi, F., Serhane, R., Kanouni, F., Mezilet, O. (2021). Highly Enhanced Electroacoustic Properties of YAlN/Sapphire Based Surface Acoustic Wave Devices for Next Generation of Microelectromechanical Systems. Materials Today Communications, 26, 102067.

81. Moustakas, T. D. (2016). Ultraviolet optoelectronic devices based on AlGaN alloys grown by molecular beam epitaxy. MRS Communications, 6(03), 247-269.

82. Amano, H., Akasaki, I., Hiramatsu, K., Koide, N., Sawaki, N. (1988). Effects of the buffer layer in metalorganic vapour phase epitaxy of GaN on sapphire substrate. Thin Solid Films, 163, 415-420.

83. Miskys, C.R., et al. (2003). Freestanding GaN-substrates and devices. Phys. Stat. Sol. (c), 0(6): p. 1627-1650.

84. Hayashi, M., Imanishi, M., Yamada, T., Matsuo, D., Murakami, K., Maruyama, M., ... Mori, Y. (2017). Enhancement of lateral growth of the GaN crystal with extremely low dislocation density during the Na-flux growth on a point seed. Journal of Crystal Growth, 468, 827-830.

85. Maruska, H. P., Tietjen, J. J. (1969). THE PREPARATION AND PROPERTIES OF VAPOR-DEPOSITED SINGLE-CRYSTAL-LINE GaN. Applied Physics Letters, 15(10), 327-329.

86. Darakchieva, V., Paskov, P. P., Paskova, T., Valcheva, E., Monemar, B., Heuken, M. (2003). Lattice parameters of GaN layers grown on a-plane sapphire: Effect of in-plane strain anisotropy. Applied Physics Letters, 82(5), 703-705.

87. Han, Lili, Xiansheng Tang, Zhaowei Wang, Weihua Gong, Ruizhan Zhai, Zhongqing Jia, and Wei Zhang. 2023. "Research Progress and Development Prospects of Enhanced GaN HEMTs" Crystals 13, no. 6: 911.

88. Zheleva, T. S., Nam, O.-H., Ashmawi, W. M., Griffin, J. D., Davis, R. F. (2001). Lateral epitaxy and dislocation density reduction in selectively grown GaN structures. Journal of Crystal Growth, 222(4), 706-718.

89. Liu, A.-C., Tu, P.-T., Langpoklakpam, C., Huang, Y.-W., Chang, Y.-T., Tzou, A.-J., ... Chang, E. Y. (2021). The Evolution of Manufacturing Technology for GaN Electronic Devices. Micromachines, 12(7), 737.

90. Napierala, J., Martin, D., Grandjean, N., Ilegems, M. (2006). Stress control in GaN/sapphire templates for the fabrication of crack-free thick layers. Journal of Crystal Growth, 289(2), 445-449.

91. Wolfmeyer, M. W., Dillinger, J. R. (1971). The thermal conductivity of sapphire between 0.4 and 4 °K. Physics Letters A, 34(4), 247-248.

92. Shibata, H., Waseda, Y., Ohta, H., Kiyomi, K., Shimoyama, K., Fujito, K., Fukuda, T. (2007). High Thermal Conductivity of Gallium Nitride (GaN) Crystals Grown by HVPE Process. MATERIALS TRANSACTIONS, 48(10), 2782-2786.

93. G. Gupta et al., "1200V GaN Switches on Sapphire Substrate," 2022 IEEE 34th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs (ISPSD), Vancouver, BC, Canada, 2022, pp. 349-352.

94. Wen, Q., Wei, X., Jiang, F., Lu, J., Xu, X. (2020). Focused Ion Beam Milling of Single-Crystal Sapphire with A-, C-, and M-Orientations. Materials, 13(12), 2871.

95. Choi, K. H., Joon, H., Chung, S. J., Kim, J. Y., Lee, T. K., Kim, Y. J. (2003). Experimental and theoretical characterization of the surface acoustic wave propagation properties of GaN epitaxial layers on c-plane sapphire. Journal of Materials Research, 18(05), 1157-1161.

96. Xu, H.-Y., Chen, X.-F., Peng, Y., Xu, M.-S., Shen, Y., Hu, X.-B., Xu, X.-G. (2015). Progress in research of GaN-based LEDs fabricated on SiC substrate. Chinese Physics B, 24(6), 067305.

97. Al Balushi, Z. Y., Redwing, J. M. (2015). In situ stress measurements during direct MOCVD growth of GaN on SiC. Journal of Materials Research, 30(19), 2900-2909.

98. Chen, Y. (2021). Analysis on the dislocation of GaN on different substrate. Journal of Physics: Conference Series, 1786(1), 012005.

99. Goela, J. S., Brese, N. E., Burns, L. E., Pickering, M. A. (n.d.). High-Thermal-Conductivity SiC and Applications. High Thermal Conductivity Materials, 167-198.

100. Kim, M. H., Oshima, M., Kinoshita, H., Shirakura, Y., Miyamura, K., Ohta, J., Fujioka, H. (2006). Investigation of the initial stage of GaN epitaxial growth on 6H-SiC (0001) at room temperature. Applied Physics Letters, 89(3), 031916.

101. Lin, Y., Yang, M., Wang, W., Lin, Z., Li, G. (2016). A low-temperature AlN interlayer to improve the quality of GaN epitaxial films grown on Si substrates. CrystEngComm, 18(46), 8926-8932.

102. Cho, E., Mogilatenko, A., Brunner, F., Richter, E., Weyers, M. (2013). Impact of AlN nucleation layer on strain in GaN grown on 4H-SiC substrates. Journal of Crystal Growth, 371, 45-49.

103. Grandusky, J. R., Smart, J. A., Mendrick, M. C., Schowalter, L. J., Chen, K. X., Schubert, E. F. (2009). Pseudomorphic growth of thick n-type AlxGa1-xN layers on low-defect-density bulk AlN substrates for UV LED applications. Journal of Crystal Growth, 311(10), 2864-2866.

104. Feng, M., Liu, J., Sun, Q., Yang, H. (2021). III-nitride semiconductor lasers grown on Si. Progress in Quantum Electronics, 77, 100323.

105. Samsudin, M. E. A., Yusuf, Y., Ahmad, M. A., Zainal, N. (2021). Controlled nucleation time for improving aluminum nitride growth. Materials Science in Semiconductor Processing, 133, 105968.

106. Frentrup, M., Lee, L. Y., Sahonta, S.-L., Kappers, M. J., Massabuau, F., Gupta, P., ... Wallis, D. J. (2017). X-ray diffraction analysis of cubic

zincblende III-nitrides. Journal of Physics D: Applied Physics, 50(43), 433002.

107. Chen, P., Xie, S., Chen, Z., Zhou, Y., Shen, B., Zhang, R., Feng, D. (2000). Deposition and crystallization of amorphous GaN buffer layers on Si(111) substrates. Journal of Crystal Growth, 213(1-2), 27-32.

108. Semond, F. (2015). Epitaxial challenges of GaN on silicon. MRS Bulletin, 40(05), 412-417.

109. Chumbes, E. M., Schremer, A. T., Smart, J. A., Wang, Y., MacDonald, N. C., Hogue, D., Shealy, J. R. (2001). AlGaN/GaN high electron mobility transistors on Si(111) substrates. IEEE Transactions on Electron Devices, 48(3), 420-426.

110. Lee, C.-J., Won, C.-H., Lee, J.-H., Hahm, S.-H., Park, H. (2019). GaN-Based Ultraviolet Passive Pixel Sensor on Silicon (111) Substrate. Sensors, 19(5), 1051.

111. Lu, Y., Liu, X., Lu, D.-C., Yuan, H., Chen, Z., Fan, T., ... Wang, Z. (2002). Investigation of GaN layer grown on Si(111) substrate using an ultrathin AlN wetting layer. Journal of Crystal Growth, 236(1-3), 77-84.

112. Li, Y., Hu, X., Song, Y., Su, Z., Wang, W., Jia, H., ... Chen, H. (2021). The role of AlN thickness in MOCVD growth of N-polar GaN. Journal of Alloys and Compounds, 884, 161134.

113. Bosi, M., Attolini, G., Negri, M., Frigeri, C., Buffagni, E., Ferrari, C., ... Verucchi, R. (2014). Buffer Layer Optimization for the Growth of State of the Art 3C-SiC/Si. Materials Science Forum, 806, 15-19.

114. Lim ZH, Manzo S, Strohbeen PJ, et al. Selective area epitaxy of GaAs films using patterned graphene on Ge. Appl Phys Lett 2022; 120: 051603. 30 Du D, Jung T, Manzo S, et al. Controlling the balance between remote, pinhole, and van der Waals epitaxy of heusler films on graphene/sapphire. Nano Lett. 2022; 22: 8647-8653.

115. Munshi, A. M.; Dheeraj, D. L.; Fauske, V. T.; Kim, D.-C.; van Helvoort,

A. T. J.; Fimland, B.-O. Weman, H. Vertically aligned GaAs nanowires on

187

graphite and few-layer graphene: generic model and epitaxial growth. Nano Lett. 12, 4570-6 (2012).

116. Alaskar, Y.; Arafin, S.; Wickramaratne, D.; Zurbuchen, M. A.; He, L.; McKay, J.; Lin, Q.; Goorsky, M. S.; Lake, R. K. Wang, K. L. Towards van der Waals Epitaxial Growth of GaAs on Si using a Graphene Buffer Layer. Adv. Funct. Mater. 24, 10 (2014).

117. Koma, A. Van der Waals epitaxy for highly lattice-mismatched systems. J. Cryst. Growth 201, 236-241 (1999).

118. Koma, A. Van der Waals epitaxy—a new epitaxial growth method for a highly latticemismatched system. Thin Solid Films 216, 72-76 (1992).

119. Nakada, K. Ishii, A. Migration of adatom adsorption on graphene using DFT calculation. Solid State Commun. 151, 13-16 (2011).

120. Chen Z, Liu Z, Wei T, et al. Improved epitaxy of AlN film for deep-ultraviolet light-emitting diodes enabled by graphene. Adv Mater 2019; 31: 1807345.

121. Chang H, Chen Z, Li W, et al. Graphene-assisted quasi-van der Waals epitaxy of AlN film for ultraviolet light emitting diodes on nano-patterned sapphire substrate. Appl Phys Lett 2019; 114: 091107.

122. Linas, S.; Magnin, Y.; Poinsot, B.; Boisron, O.; Martinez, V.; Fulcrand, R.; Tournus, F.;Dupuis, V.; Rabilloud, F.; Bardotti, L.; Han, Z.; Kalita, D.; Bouchiat, V. Calvo, F. Interplay between Raman shift and thermal expansion in graphene: Temperaturedependent measurements and analysis of substrate corrections. Phys. Rev. B 91, 1-5 (2015).

123. Magnin, Y.; Förster, G. D.; Rabilloud, F.; Calvo, F.; Zappelli, A. Bichara, C. Thermal expansion of free-standing graphene: benchmarking semi-empirical potentials. J. Phys. Condens. Matter 26, 185401 (2014).

124. Magnin, Y.; Förster, G. D.; Rabilloud, F.; Calvo, F.; Zappelli, A. Bichara, C. Thermal expansion of free-standing graphene: benchmarking semi-empirical potentials. J. Phys. Condens. Matter 26, 185401 (2014).

125. Pozzo, M.; Alfe, D.; Lacovig, P.; Hofmann, P.; Lizzit, S. Baraldi, A. Thermal expansion of supported and freestanding graphene: Lattice constant versus interatomic distance. Phys. Rev. Lett. 106, 1-4 (2011). [95] Jean, F.; Zhou, T.; Blanc, N.; Felici, R.; Coraux, J. Renaud, G. Effect of preparation on the commensurabilities and thermal expansion of graphene on Ir(111) between 10 and 1300 K. Phys. Rev. B - Condens. Matter Mater. Phys. 88, 2-7 (2013).

126. Balandin, A. A. Thermal properties of graphene and nanostructured carbon materials. Nat. Mater. 10, 569 (2011).

127. Balandin, A. A. Thermal properties of graphene and nanostructured carbon materials. Nat. Mater. 10, 569 (2011).

128. Chen, Q., Yin, Y., Ren, F., Liang, M., Yi, X., Liu, Z. (2020). Van der Waals Epitaxy of III-Nitrides and Its Applications. Materials, 13(17), 3835.

129. Li, W., Cheng, G., Liang, Y., Tian, B., Liang, X., Peng, L., ... Nguyen, N. V. (2016). Broadband optical properties of graphene by spectroscopic ellipsometry. Carbon, 99, 348-353.

130. Kavitha, M.K.; Jaiswal, M. (2016). Graphene: A review of optical properties and photonic applications. Asian J. Phys. 25, 809-831.

131. Liu, Z., Lau, S. P., Yan, F. (2015). Functionalized graphene and other two-dimensional materials for photovoltaic devices: device design and processing. Chemical Society Reviews, 44(15), 5638-5679.

132. Bae, S., Kim, H., Lee, Y., Xu, X., Park, J.-S., Zheng, Y., ... Iijima, S. (2010). Roll-to-roll production of 30-inch graphene films for transparent electrodes. Nature Nanotechnology, 5(8), 574-578.

133. Zhu, S.-E., Yuan, S., Janssen, G. C. A. M. (2014). Optical transmittance of multilayer graphene. EPL (Europhysics Letters), 108(1), 17007.

134. Wang, J., Ma, F., Liang, W., Wang, R., Sun, M. (2017). Optical, photonic and optoelectronic properties of graphene, h-BN and their hybrid materials. Nanophotonics, 6(5), 943-976.

135. Wang, F., Shi, S. (n.d.). Optical Properties of Graphene. 2D Materials, 38-51.

136. Nair, R. R., Blake, P., Grigorenko, A. N., Novoselov, K. S., Booth, T. J., Stauber, T., ... Geim, A. K. (2008). Fine Structure Constant Defines Visual Transparency of Graphene. Science, 320(5881), 1308-1308.

137. Malard, L. M., Pimenta, M. A., Dresselhaus, G., & Dresselhaus, M. S. (2009). Raman spectroscopy in graphene. Physics Reports, 473(5-6), 51-87.

138. Ferrari, A. C., Basko, D. M. (2013). Raman spectroscopy as a versatile tool for studying the properties of graphene. Nature Nanotechnology, 8(4), 235-246.

139. Usachov, D. Y., Davydov, V. Y., Levitskii, V. S., Shevelev, V. O., Marchenko, D., Senkovskiy, B. V., ... Vyalikh, D. V. (2017). Raman Spectroscopy of Lattice-Matched Graphene on Strongly Interacting Metal Surfaces. ACS Nano, 11(6), 6336-6345.

140. Bendiab, N., Renard, J., Schwarz, C., Reserbat-Plantey, A., Djevahirdjian, L., Bouchiat, V., ... Marty, L. (2018). Unravelling external perturbation effects on the optical phonon response of graphene. Journal of Raman Spectroscopy, 49(1), 130-145.

141. Zhang, X., Makles, K., Colombier, L., Metten, D., Majjad, H., Verlot, P., Berciaud, S. (2020). Dynamically-enhanced strain in atomically thin resonators. Nature Communications, 11(1).

142. Metten, D., Froehlicher, G., Berciaud, S. (2016). Monitoring electrostatically-induced deflection, strain and doping in suspended graphene using Raman spectroscopy. 2D Materials, 4(1), 014004.

143. Rao, R., Islam, A. E., Singh, S., Berry, R., Kawakami, R. K., Maruyama, B., Katoch, J. (2019). Spectroscopic evaluation of charge-transfer doping and strain in graphene/ MoS2 heterostructures. Physical Review B, 99(19).

144. Armano, A., Buscarino, G., Cannas, M., Gelardi, F. M., Giannazzo, F., Schiliro, E., Agnello, S. (2018). Monolayer graphene doping and strain

dynamics induced by thermal treatments in controlled atmosphere. Carbon, 127, 270-279.

145. Lee, J. E., Ahn, G., Shim, J., Lee, Y. S., Ryu, S. (2012). Optical separation of mechanical strain from charge doping in graphene. Nature Communications, 3(1).

146. Jo, J., Tchoe, Y., Yi, G.-C., Kim, M. (2018). Real-Time Characterization Using in situ RHEED Transmission Mode and TEM for Investigation of the Growth Behaviour of Nanomaterials. Scientific Reports, 8(1).

147. Cheng, R., Wright, J., Xing, H. G., Jena, D., Tang, H. X. (2020). Epitaxial niobium nitride superconducting nanowire single-photon detectors. Applied Physics Letters, 117(13), 132601.

148. Wu, C.-L., Chou, L.-J., & Gwo, S. (2004). Size- and shape-controlled GaN nanocrystals grown on Si(111) substrate by reactive epitaxy. Applied Physics Letters, 85(11), 2071-2073.

149. Rauschenbach, B., Lotnyk, A., Neumann, L., Poppitz, D., Gerlach, J. (2017). Ion Beam Assisted Deposition of Thin Epitaxial GaN Films. Materials, 10(7), 690.

150. Casamento, J., Wright, J., Chaudhuri, R., Xing, H. (Grace), & Jena, D. (2019). Molecular beam epitaxial growth of scandium nitride on hexagonal SiC, GaN, and AlN. Applied Physics Letters, 115(17), 172101.

151. Gailhanou, M., Carlin, J. F., Oesterle, U. (1994). X-ray diffraction analysis of low mismatch epitaxial layers grown on misoriented substrates. Journal of Crystal Growth, 140(1-2), 205-212.

152. Segmuller, A. (1985). Characterization of Epitaxial Films by X-Ray Diffraction. Advances in X-Ray Analysis, 29, 353-366.

153. Moram, M. A., Vickers, M. E. (2009). X-ray diffraction of III-nitrides. Reports on Progress in Physics, 72(3), 036502.

154. Kyutt, R. T. (2017). Defect structure of epitaxial layers of III nitrides as determined by analyzing the shape of X-ray diffraction peaks. Technical Physics, 62(4), 598-603.

155. Cui, J., Gao, S. (2016). Measurement accuracy analysis for crystal plane spacing of nitride epitaxial layer by x-ray diffraction. Optical Measurement Technology and Instrumentation.

156. Wang, W., Wang, H., Yang, W., Zhu, Y., & Li, G. (2016). A new approach to epitaxially grow high-quality GaN films on Si substrates: the combination of MBE and PLD. Scientific Reports, 6(1).

157. Fang Liu et al. (2023). Determination of the preferred epitaxy for IIInitride semiconductors on wet-transferred graphene.Sci. Adv.9,eadf8484.

158. Kim, J. (2021). Low-Temperature Epitaxial Growth of AlN Thin Films on a Mo Electrode/Sapphire Substrate Using Reactive Sputtering. Coatings, 11(4), 443.

159. Leone, S., Ligl, J., Manz, C., Kirste, L., Fuchs, T., Menner, H., ... Ambacher, O. (2019). Metalorganic Chemical Vapor Deposition of Aluminium Scandium Nitride. Physica Status Solidi (RRL) - Rapid Research Letters.

160. Dinh, D.V., Hu, N., Honda, Y. et al. (2019). Aluminium incorporation in polar, semi- and non-polar AlGaN layers: a comparative study of x-ray diffraction and optical properties. Sci Rep 9, 15802.

161. Rouf, P., Samii, R., Ronnby, K., Bakhit, B., Buttera, S. C., Martinovic, I., O'Brien, N. J. (2021). Hexacoordinated Gallium(III) Triazenide Precursor for Epitaxial Gallium Nitride by Atomic Layer Deposition. Chemistry of Materials, 33(9), 3266-3275.

162. Chung, K., Oh, H., Jo, J., Lee, K., Kim, M., G.-C. (2017). Transferable single-crystal GaN thin films grown on chemical vapor-deposited hexagonal BN sheets. NPG Asia Materials, 9(7), e410.

163. Ani, M. H., Kamarudin, M. A., Ramlan, A. H., Ismail, E., Sirat, M. S., Mohamed, M. A., Azam, M. A. (2018). A critical review on the contributions of chemical and physical factors toward the nucleation and growth of large-area graphene. Journal of Materials Science, 53(10), 7095-7111.

164. W. Yao, J. Zhang, J. Ji, H. Yang, B. Zhou, X. Chen, P. B0ggild, P. U. Jepsen, J. Tang, F. Wang, L. Zhang, J. Liu, B. Wu, J. Dong and Y. Liu. (2022). Bottom-Up-Etching-Mediated Synthesis of Large-Scale Pure Monolayer Graphene on Cyclic-Polishing-Annealed Cu(111). Adv. Mater. 34, 2108608.

165. Li, N., Zhen, Z., Zhang, R., Xu, Z., Zheng, Z., He, L. (2021). Nucleation and growth dynamics of graphene grown by radio frequency plasma-enhanced chemical vapor deposition. Scientific Reports, 11(1).

166. Sun, L., Yuan, G., Gao, L., Yang, J., Chhowalla, M., Gharahcheshmeh, M. H., ... Liu, Z. (2021). Chemical vapour deposition. Nature Reviews Methods Primers, 1(1).

167. Zhan, L., Wang, Y., Chang, H., Stehle, R., Xu, J., Gao, L., ... Li, X. (2018). Preparation of Ultra-Smooth Cu Surface for High-Quality Graphene Synthesis. Nanoscale Research Letters, 13(1).

168. Pavithra, C. L. P., Sarada, B. V., Rajulapati, K. V., Rao, T. N., & Sundararajan, G. (2014). A New Electrochemical Approach for the Synthesis of Copper-Graphene Nanocomposite Foils with High Hardness. Scientific Reports, 4(1).

169. Huang, G., Wang, H., Cheng, P., Wang, H., Sun, B., Sun, S., ... Ding, G. (2016). Preparation and characterization of the graphene-Cu composite film by electrodeposition process. Microelectronic Engineering, 157, 7-12.

170. Kondrashov, Ivan, Maxim Komlenok, Pavel Pivovarov, Sergei Savin, Elena Obraztsova, and Maxim Rybin. (2021). Influence of Different Copper Treatment on the Formation of Single-Layer Graphene by CVD Method. Materials Proceedings 4, no. 1: 14.

171. Zhan, L., Wang, Y., Chang, H., Stehle, R., Xu, J., Gao, L., ... Li, X. (2018). Preparation of Ultra-Smooth Cu Surface for High-Quality Graphene Synthesis. Nanoscale Research Letters, 13(1).

172. Balerba, A. K., Kotanidis, A., Paraskeuas, A., Gialampouki, M.,

Gutiérrez Moreno, J. J., Papageorgiou, D. G., Lekka, C. E. (2020). Graphene

193

nano-flakes on Cu low-index surfaces by density functional theory and molecular dynamics simulations. Frontiers of Nanoscience, 141-159. 173. Kitamura, T., Nakashima, S., Nakamura, N., Furuta, K., Okumura, H. (2008). Raman scattering analysis of GaN with various dislocation densities. Physica Status Solidi (c), 5(6), 1789-1791.

Приложение 1. Акты о внедрении

Утверждаю )ра по научной работа , <>СМ> "Русграфен" Л М, Г. Рыбин

Акт о внедрении

результатом диссертационной работы БорисенкО Дениса Пе чроьлча на тему

«Использование "рафена в качестве ^фер^агослая при зпитаксни нитридов

111-й группы методом МЛЭ»

Настоящий акт составлен о том, что в Обществе е О1раннчениой ■с шестью «Русграфень (ООО #РусфафеЕ1)>) были успешно внедрена в производственный процесс и коммерциализированы результаты диссертационной работы Еорисеино Д.П^ что окатало существенное влияние на развитие компании и технологий промышленного производства 1Т?ад|)енл к Российской Ф^срадик-

Основные достижения и вклады, подтверждённые в результате внедрения:

Заработан н вЕаедрсн в производство способ получения графеновык плёЕюк с заданным количеством слосв (от монослоя до нескольких: слоёв} н выраженной доменной (моно кристаллической) структурой на медном катализаторе.

Данная технология позволила перейти от лабораторных образцов л серийному выпуску стандартизированной лрсифКЕдин с воспроизводимыми н пледскаэуемыми свойствами, что валяется ключевые требованием для рческик заказчиков.

Разработан и внеуСрён в производство дьухстадийнын способ синтеза, использующий оптимизированную пропорцию гиЗОТ^реагеитов (аргон/впдород) па различных стадиях роста. Это позволило мипнмизирон&тк

(jfïpu-WBHKHe дефектов кристаллической решётки и целенаправленно выращнтагъ крупвддомечные и мшндефсктные слои грнфенн.

Внедр^нные технологические улучшения позволили шявпльио повысите качество выпускаемой продукция — кпючеыьге электрофизические характеристики (такие как подвижность носителей заряда) графеновых.

ПЛЁНОК^ ЧТО Критически важно ДДЯ ЛрИМСНСннн ГЧ ВЫСОКОТОЧЕН h|K уСТрОЙСгкак.

Внедрённые технологические решения позволили ООО кРусграфеЕ^

opraJIHWEaTt мерное El Роет И иПЫтнц-промы [пленмое лрОн^нидсгно

графеliOBbiX пленок, Соответствующих мировым аналогам. Это оосегечило научные н производет-веииые оргаЕшзацин (Российской Федерации уникальным материалом для разработки и создания перспективны* устройств: высокочастотных транзисторов, гибкой и прозрачной электроники, сенсоров нового поколения,

Таким образом, реалнчонанитле результаты работы БорисеЕзко Д.П, îpwhjih текнологический фундамент для нчгоригшмищеиня к области ieрядовых углеродных материалов и укрепления позиций Российской Федерации ai пюбадьной арене bejcorhx технологий.

Зам. директора ло научной работе, к. ф.-м- н- ММ. Г. Рыбин

Утверждаю Генеральный директор

Акт о внедрен 1

«птм»

& Д.С.

результатов диссертационной работ Борисенко Дениса Петровича на тему «Использование графена в качестве буфера«™ слой при эпитаксии нитридов Ш-й

группы метолом МЛЭ»

Настоящий акт составлен (I том, что а Акционерном обществе «Научно-производственный центр «Перспективные технологии а материалы*» (АО НПЦ «ПТМ») были успешно внедрены и апробирован ¡.г в производственном процессе результаты диссертационной работы Борисенко Д.П,Р что оказало существенное влияние на технологические возможности компании и развитие промышленного производства графеповых устройств в Российской Федерации.

Основное достижение н подтвержденный вклад: / Разработана и внедрена комплексная технология переноса и очистки [рафеновых плёнок на кремниевые подложки.

Суть технологического решении: / Внедрён способ переноса и очистки слоев графена на поверхность кремниевой пластины с аморфным слоем термического оксида, являющейся стандартной подложкой в микроэлектронной I |ро м ышленности.

Практический вклад и полученный -эффект: ^ Внедрённая технология обеспечила бездефектный и надёжный перенос, что кардинально снизило процент брака и повысило выход годных изделий на этапе сборки прототипов. / Реализованная методика гарантирует сохранение исходных электрофизических свойств графена после переноса, что является

критически важным условием для создания высокочувствительных и ТОЧНЫХ ПрИбОрОВ-

^ Разработанный способ позволил отказаться от использования дорогостоящих импортных материалов и решений для переноса, локализовав ключевой производственн ы н этап СтратегияМКОе значен не ддя АО Ш1Ц «11ТМ» н промышленности РФ: Внедренные техно л о г и ч ескне решения позволили преодолеть ключевое узкое место н сочдапии пиитических устройств на основе зрафена. Данная технология носит критически важный характер для компании, так как является завершающим и определяющим этапом в производстве изюм цикле высокочувствительных датчиков тока и магнитного поля, серийно вы пускаем!,и АО НПЦ «ПТМ». Вьшолы:

Таким образом, реализованные результаты диссертационной работа Борисенко Д-П, заложили основу для надежного и воспроизводимого производства перспективных устройств микро- и папоплекггроники, обеспечив технологический суверенитет компании и внеся вклад в импортоэамещенне и области передов их Сенеорны* сисгем в Российской Федерации.

Генеральный директор АО «НПЦ ПТМ»

16 сентябри 2025г.

слона Д, С,

ТВЕРЖДАЮ

р НИЯУ МИФИ работе

'У _Весна К.К.

«30_ъ ЩТ^Л 2025 г.

АКТ ВНЕДРЕНИЯ

результатов диссертационной работы Ьорисенко Дениса Петровича на тему «Использование графе на & качестве буферного слон при зи итак Си и нитридов Ш-и группы методом МЛЭ&, в учебном процессе НИЛУ МИФИ

Комиссия, в составе профессора Каргина Н.И., профессора Никитенко Б.Р. и профессора Васильевского И.С. составила Езастоясций акт о тем* что результаты диссертационной работы Ьорисенко Д.П, на соискание степени кандидата технических наук внедрены в учебный процесс Института нанотсхнологий в электронике, спинчроникс и фотонике ПИЛУ МИФИ.

Разработанная и внедренная в лабораторную практику методика построении 20 и 30 карт обратного пространства для исследования доменной структуры к напряжений ы исследуемы к плёнках А1Ы и ОаЫ с помощью метода дифракции быстрых электронов использовалась при проведении практических и лабораторных занятий по дисциплинам «Физика и технология молекулярное лучевой гшитаксии» и «Введение н современные наногсхнологии» у магистров и бакалавров направления 11.04.04 «Электроника и наноэлектроника».

Реализованные метопы анализа структурного качества сло£в графена и других полупроводников е использованием метода спектроскопии комбина1 [ионного рассеяния света были внедрены в лабораторную практику по дисциплине «ЗкспернмеЕзтальные методы физики конденсированного

Приложение 2. Патенты

17 07-2028,00:36

ИЗ №2842161

ГОГ< |Ш< КЛЯ Ф111РМ1ИЯ

(19» I

RU 2 842 161 " С1

(SHMIIK (M1IJ0J И.,.,

♦М1ГЛ1Ы1 кЯ 4 1> ЖЬЛ ПО НИППЛЕКТУЧЛЫШП t <РЬ< IBI HIHK III

'"'ОПИСАНИЕ IIЗОБРЕТЕНМЯ К ПАТЕНТУ

Cratyc: Лйи.'ц[С' (пшлщнм ишмснм culju 27 0€ 2d25) Пашляяма /tiM ы 5 год с ОБ 12 JQ28 nu OS t2 3Q29 Ммвмаалаяммк еров для уплати пашнмму 8 гса L 06 12 232S № 05 '2.2G24 Гфяя )nratl пэым. и В гад ■ ДОПОЛНИ твЯкмий 6

(52) СПК

GOU 1« (1025.01) Miff 34/2*2 (202S.01)

421X22) Заяви 21124136^4. Bi.12.2U24

<24) Дата начала отсчета с роса киегчия патента: «$.12.2424

Дата рет астралин: 23.0*.242i

Приоритета):

<22) Дата подачи шяая: 45.12.2424

(45)Опу&аавовапо >3.0(..21»25 Ьюл № IX

|S6) Списос локуменюя. цитированных а отчете о поиске: J. Wei et aL. /erohiei mid-infrared traphene photodrtectori with balk pholoretpoaie and calibfaiian-Ггее p«laruatioa dtlHln»n. Nat. Commaa.. II. N I. p. MM. t ig. 4a. Dec. 2021» I S Ш5Я31 В2. U.M.20I4. КГ 2SUIM ( I. 2fc.03.2024. Ml 2S45784t 1.24.14.2023. Kl 249754« Ct. 11МЛИ.

Адрес для переписки

1434(13. Московская ofii.. i.о. kpacnniорск. г. kpacuoi ирск. ул. Речаая. ки. Я, ком. 9. I». АО "(КАНДА ГУ Г" Ьрп.кква Алексея Ьорасоавч

(72) Аггор<и>:

С ечкии Валентна Anлреевач (КГ), капралов Карал.I Паколагвич (RI ), ( аааноя Дшпряа Алекган |рояач (К( ). Ь«чяроя АлсксгВ Юрьевич (KI ). кяшевкп Михаил Алексеевич |К( ). Дочараикиа Пяаа Км1С1аи1ааоанч |КГ), Мятуреако Илкя Михаилович (КС). Мылкие я Влалнелав Николаева1! |К( ). кпиоигико O.iei Викторович (К1 ). Ьорасеико Денис Петрович (КГ>)

(73) Цатешооблалатс.гМн): Акционерное нАшестяо "СКАЦДА РУС" (КГ)

фот leieKiop а способ

KLII'tCHUl

олаоарсмеапою нпрелсления

(57) Реферат:

Изобретение относится к области детектирования излучения преимущественно инфракрасного диапазона с дополни тельной опцией разрешения поляризации излучения. Поляризацнонно-разрсшазощнй фотодегектор выполнен в виде многослойной структуры, включающей последовательно размещенные слой электропроводящего затвора 6. сдой диэлектрика 5 н чувствительный слой I из графена прямоугольной формы с параллельными металлическими контактами стока 2 и нетока 3 к двум противоположным сторонам и с нанесенной на него мстаповерхностью с прямоугольно структурированной решеткой из металлических элементов 9, а металлические элементы 9 метаповерхностн выполнены в виде однонаправленных равнобедренных треугольников с острым утлом при вершине и ориентированы так. что их оси симметрии перпендикулярны контактам стока 2 и истока 3. Также предложен способ одновременного определения интенсивности и

http* Mmw iu>c<№'hps <М'ги?1у=291с1оав=2в421в1

1/12