威斯康星大学Jason Ken Kawasaki课题组–控制石墨烯蓝宝石上赫斯勒膜的远程、针孔和范德华外延之间的平衡

远程外延有望用于晶格失配材料的合成、膜的剥离和昂贵衬底的再利用。然而，远程机制的明确实验证据仍然难以捉摸。替代机制如针孔籽晶外延或范德华外延通常可以解释所得薄膜。在这里，我们表明Heusler化合物GdPtSb在干净的石墨烯/蓝宝石上的生长产生了30°旋转的(R30)超结构，这不能用针孔外延来解释。随着温度降低，与直接外延R0畴相比，该R30畴的比例增加，这可以通过远程外延与针孔外延之间的竞争来解释。需要仔细的石墨烯/衬底退火并考虑相对晶格失配，以获得穿过一系列其他赫斯勒膜(包括LaPtSb和GdAuGe)到下层衬底的外延。R30超结构提供了远程外延的可能实验指纹，因为它与领先的替代机制不一致。

图1.退火清洁了石墨烯/蓝宝石界面。(a，b)400℃和700℃退火后的原子力显微镜(AFM)形貌图像。(c，d) AFM线轮廓。在700℃退火之后，观察到来自下面的蓝宝石衬底的台阶轮廓。(e，f)在400和700℃退火后的石墨烯/蓝宝石界面示意图。L是针孔之间的距离。

图2. GdPtSb、LaPtSb和GdAuGe在石墨烯/Al2O3(0001)上的外延和剥离。(a)沿蓝宝石带轴观察的异质结构的示意横截面。颜色图例:红色= (Gd，La)，黄色= (Au，Pt)，蓝色= (Ge，Sb)，黑色= Al，白色= O. (b)生长在石墨烯/蓝宝石上的薄膜的X射线衍射(XRD) (Cu Kα) 2θ扫描。薄膜在平面外取向为[001]立方或[0001]六方。蓝宝石衬底反射标有星号(*)。(c)剥离后膜的2θ扫描。(d)剥离后剥离膜和基底的照片。衬底尺寸为10 mm × 10 mm。在石墨烯覆盖的区域(中心)上生长的膜的区域被剥离。

图3. 面内取向。(a)Gdptsb(220)、LaPtSb10 1 2和GdAuGe10 1 2薄膜反射的ϕ扫描，参考蓝宝石10 1 4。(b)面内取向的分布。每个分布代表至少XX个样本的统计数据。(c)平面内六方晶格参数和晶体结构。对于立方GdPtSb，六方晶格参数AHI定义为ah= d 1 2110。对于石墨烯，晶格参数4.26Å对应于一个R30°超晶胞(黑色实线)，相对于传统的晶胞(黑色虚线)。注意，石墨烯是多晶的，因此石墨烯的外延导致多晶赫斯勒膜。

图4。石墨烯/Al₂O₃(0001)上GdPtSb的R30取向。(a)直接生长在蓝宝石上的GdPtSb的方位角ϕ扫描，对应于标准的六边形对六边形外延关系。(b)石墨烯/Al2O3(0001)上GdPtSb的ϕ扫描。GdPtSb 220反射相对于蓝宝石10 1 4偏移了δϕ= 30°。(c) R0六边形对六边形方向。GdPtSb晶格显示为蓝色，蓝宝石晶格显示为黑色。错配为2.7%拉伸。(d) R30取向。，GdPtSb具有更小的晶格失配1.5%压缩性。

图5. 控制面内旋转(a)在已经退火到700℃的石墨烯/蓝宝石上，在600、650和700℃生长的三个膜(蓝色)的GdPtSb 220反射的方位角ϕ扫描。所有曲线都参考蓝宝石衬底(黑色)的反射。(b)面外444反射跟踪晶格参数的变化。(c，d)解释温度依赖性的可能机制。(c)石墨烯上30°畴的亚稳定性。在该图中，R0和R30畴都出现在石墨烯上生长。提高生长温度能使系统克服两个畴之间的动力学障碍。(d)针孔与远程机制。较高的生长温度有利于针孔处的生长，因为增加了表面扩散长度λ。来自针孔的生长导致R0畴。

相关科研成果由威斯康星大学Jason Ken Kawasaki等人于2022年发表在Nano Letters（https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c03187）上。原文：Controlling the Balance between Remote, Pinhole, and van der Waals Epitaxy of Heusler Films on Graphene/Sapphire。