RAMAN SPECTROSCOPY OF CURRENT-CARRYING GRAPHENE MICROBRIDGE AND Ar-ION BOMBARDED InSb SURFACE

Abstract

We studied properties of current-carrying graphene microbridge in ambient condition and structural deformation of Ar-ion bombarded InSb by Raman spectroscopy. First, we performed an in-situ Raman measurements on CVD-grown graphene microbridge(3m×80m) under electrical current density up to 2.58 × 108A/cm2 in ambient condition. It has been known that the G and 2D peaks of graphene show down-shift by Joule heating, the G peak shows up-shift for both electron- and hole-doping, and the 2D peak shows up-shift for hole-doping and down-shift electron-doping. We found that both the G and 2D peaks of the Raman spectra do not restore back to the initial values at zero current, but to slightly higher values, after switching off the current through the microbridge. The up-shift of the G peak and 2D peaks, after switching off the electrical current, is believed to be due to p-doping by oxygen adsorption, which is confirmed by scanning photoemission microscopy. Both C-O and C=O bond components in the C1s spectra from the microbridge were found to increase significantly after high electrical current density was flown. The C=O bond is the main source of the p-doping according to ourdensity functional theory calculation of the electronic structure. In addition to the doping effect, the amorphous-like peaks are observed in the graphene microbridge at high density of electrical current. The original graphene D and G peaks are still observed along with the amorphous-like peaks. Interestingly, these broad peaks are observed to be partially reversible. The intensity of these broad peaks is strong when current density of 2.58 × 108 A/cm2 is on, and it decreases when the current is off. We also conducted Raman spectrum for the modification of the InSb surface structure induced by the Ar ion bombardment. Electronic states generated by the structural deformation underneath the surface of InSb play a crucial role in the perfomance of the devices made of InSb. Ar ions with high energy cause structural damages on the InSb surface. The integrated area ratio of the transverse optical(TO) phonon mode against that of the longitudinal optical(LO) phonon mode, ITO/ILO and the FWHM of LO phonon mode are found to be proportional to the applied RF power, which is proportional to the energy of the Ar ions. The position of LO peak, accurately measured with our high resolution Raman system, indicates a slight softening as the RF power increases. In addition to the TO phonon mode, amorphous phase is observed for the sample etched in high RF power. All of these observations could be interpreted as showing that surface damage increases with the RF power. The lattice structure is preserved but a break-down of the selection rule is caused by the proximity to the structurally disordered area, thus leading to a local enhancement of the Raman forbidden TO phonon for the scattering geometries. We proved that Sb vacancies are responsible for the enhancement of TO phonon mode in InSb(100) surface through temperature-dependent Raman measurement and annealing under Sb ambient. Our results prove that Raman analyses can characterize the structural damages effectively induced by the energetic Ar ions bombarded onto the InSb surface.;대기중에서 그래핀 마이크로브릿지에 전류가 인가 되었을 때의 그래핀에 나타나는 변화와 아르곤 이온을 InSb표면에 충돌시켰을때 InSb의 표면 구조 변화를 라만 분광법으로 연구하였다. 우선, 대기 조건에서 화학 기상 증착법으로 만든 그래핀을3um x 80 um 크기의 마이크로브릿지 형태로 제작하여 전류밀도를2.58 × 108A/cm2까지 인가하면서 라만 실험을 수행하였다. 그래핀은 줄히팅에 의해 G 피크는 낮은 파수로 이동하고, 도핑에 의해 높은 파수로 이동하며 2D 피크는 p 도핑일때 높은 파수로 n 도핑일때 낮은 파수로 이동한다. 전류를 인가하지 않았을 때 라만의 G와 2D 피크가 처음 위치로 돌아오지 않고 처음 위치보다 높은 파수로 이동하였음을 관찰하였다. 이는 대기중의 산소가 그래핀에 흡착되어 그패핀이 p도핑 되었을 것으로 예상하였고, 이를 주사 광전자 마이크로 분광 이미지를 측정하여 전류가 인가된 마이크로브릿지에만 전체적으로 산소가 흡착되었음을 확인하였다. 전류를 인가하지 않은 그래핀 부분과는 확연히 다름을 비교 분석하였다. 또한 X-선 광전자 마이크로 분광법을 통하여 C-O와 C=O가 전류 인가후 증가 되었음을 확인하였다. 이론 계산으로 산소 결합중 C=O가 p 도핑의 원인임을 밝혔다. 또한 그래핀에 전류가 인가 되면 도핑 효과외에 높은 전류밀도에서 비정질 카본 모양과 같은 넓은 라만 피크가 관찰되었다. 흥미롭게도 이 비정질 피크는 부분적으로 가역적이었는데, 전류밀도가 커질수록 커지다가 전류가 인가되지 않으면 피크가 감소하였다. 대기와 아르곤 분위기에서 각각 그래핀 마이크로브릿지에 열을 가한 라만측정을 통하여 아르곤 분위기에서 가열된 마이크로브릿지에서는 G와 2D 피크의 변화가 관찰되지 않은 반면, 대기 조건에서 가열된 마이크로 브릿지에서는 G와 2D 피크가 높은 파수로 이동함을 확인하였다. 온도 의존성 라만실험 결과를 통해서도 라만 피크의 높은 파수 이동이 온도에 의한 산소에 의한 것임을 증명하였다. 아르곤 이온을 InSb 표면에 충돌시켜 InSb 표면의 구조변화를 라만으로 관찰하였다. 아르곤 이온으로 표면 처리된 InSb의 표면 하부의 구조적 변화는 전자 구조에도 영향을 직접 미칠 것이므로 InSb의 아르곤 이온 에칭에 의한 표면 구조 변화를 이해하는 것은 중요하다. 실험에서 RF 파워를 증가시키면 아르곤 이온의 에너지가 비례적으로 증가하는데 RF 파워를 증가할수록 InSb의 라만 모드의 가로 광학 포논 모드에 대한 세로 광학 포논 모드의 면적비와 세로 광학 포논 모드의 반치전폭이 커짐을 관찰하였다. 또한 세로 광학 포논 모드의 피크 위치가 아르곤 이온 에너지가 커질 때 낮은 파수로 이동하였다. 이러한 라만 피크의 경향들은 아르곤 이온 에너지가 커질수록 InSb의 표면 구조 변화가 커졌음을 나타낸다. 아르곤 이온 에너지가 커질수록 구조적으로 정렬되지 못한 영역들이 생겨나고 이러한 영역들에서 라만 선택률이 깨져서 보이지 않아야 하는 가로 광학 포논 모드가 관찰된다. 더 나아가 높은 RF 파워에서는 비정질 상태의 InSb 라만 피크도 관찰 되었다. 아르곤 분위기에서 InSb의 온도 의존성 라만 실험을 통하여 450oC에서 비정질 Sb상이 생기기 시작함을 관찰하였다. 아르곤 이온 에칭에 의해 구조가 변화된 InSb 를 450oC의 Sb 분위기에서 열처리를 하였고, 열처리된 InSb를 라만측정 하면 에칭 되지 않은 InSb의 라만결과와 거의 동일함을 확인하였다. 이를 통하여 아르곤 이온 에칭에 의한 InSb의 표변 변화에서 Sb의 결함들이 중요한 요인임을 확인하였다.