GaSe 与石墨烯外延耦合：从原位能带工程到光子传感（4H-SiC）*
1. 概述
2D半导体可以推动量子科学和技术的进步。然而，它们应该没有任何污染；此外，相邻层的晶体有序性和耦合性及其电子性质应该得到很好的控制、可调和可扩展。在本工作中，这些挑战通过一种新方法来解决，该方法将分子束外延和石墨烯上半导体硒化镓（GaSe）的超高真空原位能带工程相结合。通过电子衍射、扫描探针显微镜和角分辨光电子能谱的原位研究表明，GaSe原子级薄层在层平面上与石墨烯的底层晶格对齐。GaSe/石墨烯异质结构称为 2semgraphene，具有 GaSe 的中心对称（群对称性 D3d）多晶型、GaSe/石墨烯界面处的电荷偶极子以及可通过层厚度调节的能带结构。新开发的可扩展 2semgraphene 用于光学传感器，利用光活性 GaSe 层及其与石墨烯通道界面处的内置电位。这一概念验证有可能进一步推动利用 2semgraphene 作为功能构件的设备架构的发展。
2. 样品制备
本研究使用的表层石墨烯是通过在氩气氛围（压力为 1bar）中以 1800 °C 以上的温度热分解直径为 4 英寸的 4H-SiC (0001) 半绝缘晶片（来自中芯晶研）而生成的，然后将其切成 10 × 10 mm2 的小片。所使用的衬底是通过在超高真空 (UHV)（基准压力 <2 × 10−10mbar）下在 1400 °C 下反复快速退火重掺杂SiC而获得的。在 GaSe 的 MBE 生长中，两种类型的表层石墨烯衬底首先在 MBE 腔中以 800 °C 的温度退火 40 分钟，以去除潜在的表面污染。然后将衬底温度降至 550 °C，以生长 GaSe。高纯度元素 Ga (7N) 和 Se (6N+) 分别从PEZ 63 生产流出物和 VSCS 阀式 Se 裂解室蒸发出来。Ga 束流通量通过离子计测量并由室温度控制；而 Se 通量由源阀的开度和 Se 储层温度控制。GaSe 的生长（生长速率约为1.7 nm min −1）通过反射高能电子衍射 (RHEED) 监测。
对于交错金电极的沉积，将刚性金属基荫罩与 GaSe 表面紧密接触，并且不使用聚合物或溶剂，从而避免了任何层污染。蒸发的触点厚度约为 100 nm。所得器件的通道宽度约为 18 mm，通道长度为 50 µm。
图1 a) 表层石墨烯上的 1 层、2层 和 2-3层GaSe 的扫描隧道显微镜 (STM) 图像（比例尺 = 200 nm）；
b) 表层石墨烯和表层石墨烯上的 1层GaSe的低能电子衍射 (LEED) 图像；箭头标记了石墨烯（黄色，左和右）和 GaSe（白色，右）的衍射点。石墨烯的每个点都被与 SiC 的 (6√3 × 6√3)R30° 缓冲层相关的六个卫星点所包围；
c) 左：具有轴对称性（D3h）和中心对称性（D3d ）的 GaSe 多晶型物；右：根据密度泛函理论建模的石墨烯上D3d GaSe的平面内和侧面视图
3. 结论
研究人员使用分子束外延和原位显微镜和超高真空电子能谱技术在石墨烯上生长和研究超薄 GaSe 层。外延生长通过在台阶边缘和石墨烯延伸的平坦梯田上形成结晶 GaSe 岛而进行。第一层 GaSe 倾向于在层平面上与石墨烯的底层晶格对齐，并表现出可通过 GaSe 层厚度调节的电子能带结构和能带对齐，如 ESCA 测量和 DFT 对 GaSe 中心对称多晶型 (D 3d ) 的预测。此处报告的属性是可扩展的，GaSe/石墨烯界面为光子传感提供了有效的平台。
在本工作中描述的基于 GaSe 的概念验证设备中，GaSe/石墨烯界面对光活性 GaSe 层中光生电荷敏感。对于所有样品，石墨烯层中的电子密度在光照下都会增加。然而，在基于薄和厚 GaSe/石墨烯异质结构的器件中分别测量到正或负的光电流。 GaSe/石墨烯界面处的光诱导电子转移可用于促进 GaSe 倒置墨西哥帽价带中的长寿命重空穴，以研究载流子相关现象，这需要可控和可调的空穴掺杂。特别是，石墨烯上单层 GaSe 中的正光电流和光学存储器为表面电荷传感提供了前景，包括光学成像电路和存储器。最后，将生长的 GaSe 层从表石墨烯转移到不同的衬底上，例如将薄层 GaSe 预层转移到柔性云母上，有可能进一步推进和开发不同平台上的可扩展材料和设备。
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