Selektivní růst epitaxního grafenu

• Thesis title in Czech: Selektivní růst epitaxního grafenu
• Thesis title in English: Selective growth of epitaxial graphene
• Key words: graphene|SiC
• English key words: graphene|SiC
• Academic year of topic announcement: 2025/2026
• Thesis type: dissertation
• Department: Institute of Physics of Charles University (32-FUUK)
• Supervisor: RNDr. Martin Rejhon, Ph.D.
• Advisors: doc. RNDr. Jan Kunc, Ph.D.

Guidelines

1. Seznámit se důkladně s přípravou epitaxního grafenu na SiC
2. Prozkoumat vliv teploty, růstového času a růstového prostředí na kvalitu a počet vrstev epitaxního grafenu
3. Zanalyzovat pnutí v epitaxním grafenu a určit atomarní poskladaní vrstev grafenu
4. Pomoci optické nanolitografie připravit struktury o různých velikostech a tvarech na SiC před růstem grafenu
5. Prozkoumat vliv předvzorkovaného SiC na výsledný připravený epitaxní grafen
6. Připravit nanoelektronické zařízení na připraveném epitaxním grafenu
7. Výsledky průběžně prezentovat na konferencích a publikovat v odborných časopisech

References

1. Kerelsky, A., et al., Moireless correlations in ABCA graphene. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2021. 118(4).
2. Kusunoki, M., et al., Growth and Features of Epitaxial Graphene on SiC. Journal of the Physical Society of Japan, 2015. 84(12).
3. Norimatsu, W. and M. Kusunoki, Selective formation of ABC-stacked graphene layers on SiC(0001). Physical Review B, 2010. 81(16).
4. Norimatsu, W. and M. Kusunoki, Structural features of epitaxial graphene on SiC {0001} surfaces. Journal of Physics D-Applied Physics, 2014. 47(9).
5. Sugawara, K., et al., Selective fabrication of free-standing ABA and ABC trilayer graphene with/without Dirac-cone energy bands. Npg Asia Materials, 2018. 10.

Preliminary scope of work

Grafen má jedinečné fyzikální vlastnosti, díky čemuž je vhodný pro elektronické a optoelektronické aplikace. Jednovrstvý grafen je však polokov a nemá bandgap, což brání jeho aplikacím, zejména ve spínacích zařízeních. K otevření bandgapu lze použít několik přístupů, jako jsou grafenové nanoribbony nebo vrstvený grafen s aplikací hradlového napětí. Problémy nastávají, když je grafen tvarován plazmovým leptáním, což vede k hrubým hranám a snižuje elektrické vlastnosti grafenu. Disertační práce si klade za cíl studovat možnosti kontroly tvarů připraveného epitaxního grafenu předvzorováním SiC substrátu. Umožní nám to selektivně růst epitaxní grafen na předem vzorovaných terasách SiC díky různým rychlostem růstu na základě krystalových rovin. Vyhneme se tak poškození grafenu následným zpracování a okraje grafenu budou hladké a ukončené. Nanolitografie bude použita k přípravě obrazců na SiC substrátu leptáním nebo maskováním substrátu rezistem před růstem grafenu. Rezist zastaví tepelný rozklad SiC a epitaxní grafen se bude tvořit pouze na oblastech, které nejsou zakryty. Různé experimentální metody budou použity k charakterizoci vytvořených nanostruktur. Po zvládnutí přípravy nanorribbonů budou připraveny kovové kontakty pro měření a charakterizaci elektrických vlastností připravených struktur. Tento projekt může otevřít nové možnosti pro řízení vysoce kvalitního růstu epitaxního grafenu.

Preliminary scope of work in English

Graphene has unique physical properties, making it suitable for electronic and optoelectronic applications. However, monolayer graphene is a semimetal and does not possess a bandgap, which hinders its applications, especially in switching devices. Several approaches can be used to open a bandgap, such as graphene nanoribbons or layered graphene with the application of gate voltage. Problems occur when graphene is shaped with plasma etching, leading to rough edges and reducing graphene's electrical properties. The doctoral thesis aims to study the possibility of controlling the shapes of prepared epitaxial graphene by pre-patterning the SiC substrate. It will allow us to selectively grow epitaxial graphene on the pre-patterned terraces of SiC because of the different growing velocities based on the surface crystal planes. It will also avoid the need for damaging post-processing, and the graphene edges will be smooth and terminated. The nanolithography will be used to prepare patterns on SiC substrate by etching or masking the substrate with a resist before graphene growth. The resist will stop the thermal decomposition of SiC, and the epitaxial graphene will be formed only on areas that are not covered. Various experimental methods will be used to characterize the created nanostructures to optimize the preparation. After mastering the preparation of nanoribbons, metal contacts will be prepared to measure and characterize the electrical properties of prepared structures. This project can open new possibilities for directing high-quality epitaxial graphene growth.