石墨烯是由单层碳原子通过SP2键连接构成的类蜂窝状六方点阵二维晶体，它具有独特的能带结构以及优异的物理性能，自被发现以来吸引了众多研究者的广泛关注。通过石墨烯复合衬底材料可实现其光学性能、力学性能及电学性能调控，对提高石墨烯器件应用价值具有重要意义。由于氮化硅薄膜具有在同等体积下较小的质量和良好的光学性能等特点，被广泛应用于力和质量传感器。通过改变氮化硅表面形貌对石墨烯/氮化硅复合材料性能进行调控，对于石墨烯/氮化硅复合材料器件的设计具有重要的理论和工程价值。
近日，江苏大学葛道晗研究团队通过化学气相沉积法和干法刻蚀制备出一种具有一定深度的氮化硅衬底，并采用湿法转移将石墨烯转移到不同形貌的衬底上，得到石墨烯/氮化硅复合材料。同时借助拉曼光谱、原子力显微镜等手段，研究了不同形貌的氮化硅衬底对该复合材料性能的影响。相关论文以题为“Effect of patterned silicon nitride substrate on Raman scattering and stress of graphene”发表在Materials and Design。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.109338
在这项研究中，通过蚀刻工艺将光掩模上的图案（孔和沟槽）转移到氮化硅（Si3N4）衬底上，使用扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）对具有不同图案的Si3N4进行了表征（图1），一种是晶格常数3μm和直径1.5μm点的三角形阵列，另一种是宽2μm和间距4μm的平行沟槽，两种图案的深度均约为500 nm。AFM测量得到孔底部的Ra为13.99nm，而沟槽底部的Ra为7.12nm，表明沟槽的底部更平滑。采用湿法转移将石墨烯转移到两种图案化的Si3N4衬底上，SEM表征显示石墨烯完全覆盖了衬底（图2），得到孔阵列石墨烯（H-石墨烯）和沟槽阵列石墨烯（T-石墨烯）。石墨烯呈现出与图案化的Si3N4衬底一致的表面形态，并且沉积到了孔和沟槽中，而不是悬浮在孔和沟槽上。
图 1 SEM和AFM对图案化的Si3N4衬底进行表征。
图 2 石墨烯覆盖图案化Si3N4衬底的SEM图像：（a）孔阵列上的石墨烯（H-石墨烯）；（b）沟槽阵列上的石墨烯（T-石墨烯）。
拉曼光谱（图3）显示，石墨烯G峰与2D峰的强度之比小于0.5，表明在孔阵列和沟槽阵列的Si3N4衬底上是单层石墨烯。拉曼特征峰在很大程度上取决于图案的形态和粗糙度，具有不同图案Si3N4衬底上的石墨烯应变是2D峰（图4）和G峰（图5）红移的主要原因。研究了图案化的Si3N4的表面形态和粗糙度对拉曼散射和石墨烯力学性能的影响，拉曼光谱分析表明，图案化区域的形态和大小对石墨烯的拉伸应变的影响远大于表面粗糙度的作用。尽管孔的表面粗糙度较大，但具有较大表面积的沟槽中，石墨烯的应变（0.32%至0.54％）大于孔中的应变（0.2%至0.24％）。此外，研究了图案深度对石墨烯的拉曼峰位移的影响（图6）。深度为600nm的H-石墨烯的2D峰相对于深度为500nm的H-石墨烯偏移增加了约5cm-1。可以计算出H-石墨烯（深度600nm）的拉伸应变在0.25％和0.42%之间，比H-石墨烯（深度500nm）高。结果表明，石墨烯的性能受Si3N4的图案深度控制，深度的增加导致2D峰的红移更高，石墨烯的应变更大。
图 3 H-石墨烯（黑色实线），T-石墨烯（蓝色实线）和Si3N4衬底（红色实线）的拉曼光谱。
图 4拉曼光谱的2D峰差异：（a）扫描区域和（b）H-石墨烯中三个代表点的2D峰；（c）扫描区域和（d）T-石墨烯中三个代表点的2D峰。
图 5（a）H-石墨烯和（b）T-石墨烯的拉曼光谱的G峰。红移的大小分别为4.8cm-1和9.8cm-1。
图 6 H-石墨烯（深度为600nm）中三个代表点的2D峰。
理解图案化Si3N4衬底的微观形状特征对石墨烯机械性能的影响在微纳器件的制备中起着重要作用。本文的工作结果对基于石墨烯的器件设计具有一定的指导意义。
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