[論文レビュー] Ab initio Study of Graphene on SiC

Alexander Mattausch, Oleg Pankratov|arXiv (Cornell University)|Apr 2, 2007

Graphene research and applications被引用数 9

ひとこと要約

このab initio研究では、密度汎関数理論を用いて、6H-SiC(0001)上に形成された最初のグラフェン層が、共有結合によって基板に結合しており、グラフェンに類似した電子的特徴を失っていることが明らかになった。2番目のグラフェン層は、ディラック・コーンを示し、弱いファンデルワールス結合を示す。これにより、自由状態のグラフェンの電子構造が回復され、終端の種類に応じて金属的（Si面）または半金属的（C面）な挙動を示す。

ABSTRACT

Employing density-functional calculations we study single and double graphene layers on Si- and C-terminated 1x1-6H-SiC surfaces. We show that, in contrast to earlier assumptions, the first carbon layer is covalently bonded to the substrate, and cannot be responsible for the graphene-type electronic spectrum observed experimentally. The characteristic spectrum of free-standing graphene appears with the second carbon layer, which exhibits a weak van der Waals bonding to the underlying structure. For Si-terminated substrate, the interface is metallic, whereas on C-face it is semiconducting or semimetallic for single or double graphene coverage, respectively.

研究の動機と目的

• エピタキシャルグラフェンが基板との相互作用を受けても、自由状態のグラフェンが示す電子的性質を保持するかどうかという長年の疑問を解消すること。
• グラフェンとSiC基板との間の結合の性質（共有結合かファンデルワールス結合か）を特定すること。
• Si終端面とC終端面のSiC表面が、グラフェン層の電子構造に与える影響を調査すること。
• 最初のグラフェン層が界面に果たす役割、特に観察されたディラック・コーンスペクトルに寄与しているかどうかを明確にすること。
• グラフェンの堆積によって生じる仕事関数の変化とフェルミ準位のピンナップを定量すること。

提案手法

• 局所スピン密度近似（LSDA）とプロジェクター加重波（PAW）擬ポテンシャルを用いた密度汎関数理論（DFT）を採用。
• VASPコードを用い、400 eVの平面波カットオフと7×7×1 kポイントサンプリングによるブリユアンゾーン積分を実施。
• 6H-SiC（S3構造）の2層のスーパーセルを用意し、1層または2層のグラフェンを含み、10–15 Åの真空層を設けた。
• 格子不整合（8%）を考慮し、グラフェン層を引き伸ばして√3×√3R30°のユニットセルをモデル化した。
• 界面状態とフェルミ準位の整列を分析するため、電荷密度、仕事関数、電子バンド構造を計算した。
• Si終端面（0001）とC終端面（0001̄）の両方の6H-SiC表面について比較し、終端依存の電子的挙動を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SiC上に形成された最初のグラフェン層は、基板と共有結合を形成するか。その場合、電子的構造にどのような影響を与えるか？
• RQ2 自由状態のグラフェンに特徴的なディラック・コーンスペクトルが、どのグラフェン層で回復するか？
• RQ3 Si終端面SiC上でのグラフェンの電子構造は、C終端面SiC上とどのように異なるか？
• RQ4 界面がフェルミ準位のピンナップと仕事関数の変化に果たす役割は何か？
• RQ5 基板が最上位のグラフェン層の電子的性質に及ぼす影響はどの程度か？

主な発見

• Si終端面（0001）およびC終端面（0001）の両方において、最初のグラフェン層は基板と共有結合しており、結合距離はSi面で2.0 Å、C面で1.87 Åであり、それぞれ単位胞あたり0.72 eVおよび0.60 eVのエネルギーを放出した。
• 強い共有結合と界面状態のため、最初のグラフェン層にはフェルミ準位にディラック・コーンが存在せず、観察されたグラフェンに類似したスペクトルの原因ではない。
• 2番目のグラフェン層はフェルミ準位付近に線形分散を示すディラック・コーンを示し、自由状態のグラフェンの電子構造が回復されたことを確認した。
• Si終端面SiC上では、界面が金属的であり、フェルミ準位がディラック点の上にピンナップし、2番目の層がn型ドーピングを受ける。
• C終端面SiC上では、フェルミ準位がディラック点に丁度一致し、自由状態のグラフェンに類似した半金属的状態を示した。
• 仕事関数は、クリーンなSi面（4.75 eV）から最初のグラフェン層を有する状態（3.75 eV）に低下し、強い電荷移動とデューポール形成を示した。一方、2番目の層により、自由状態のグラフェンの5.11 eVに近い値に回復した。