[論文レビュー] Electronic inhomogeneities in graphene: the role of the substrate interaction and chemical doping

Andrés Castellanos-Gómez, Arramel Arramel+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2012

Graphene research and applications被引用数 8

ひとこと要約

本研究は、スキャニングプローブ顕微鏡を用いて、基板相互作用および化学ドーピングに起因するグラフェン内のナノスケール電子的不均一性を調査した。 charged impurities がグラフェン-シリカ酸化物界面に存在すると、キャリア密度が顕著に変化し、デバイス間のばらつきが生じることを示した。一方、水素の化学吸着およびポルフィリンの物理的吸着は、バンドギャップの開口を引き起こし、グラフェンの電子的性質を化学的に設計可能であることを示した。

ABSTRACT

We probe the local inhomogeneities of the electronic properties of graphene at the nanoscale using scanning probe microscopy techniques. First, we focus on the study of the electronic inhomogeneities caused by the graphene-substrate interaction in graphene samples exfoliated on silicon oxide. We find that charged impurities, present in the graphene-substrate interface, perturb the carrier density significantly and alter the electronic properties of graphene. This finding helps to understand the observed device-to-device variation typically observed in graphene-based electronic devices. Second, we probe the effect of chemical modification in the electronic properties of graphene, grown by chemical vapour deposition on nickel. We find that both the chemisorption of hydrogen and the physisorption of porphyrin molecules strongly depress the conductance at low bias indicating the opening of a bandgap in graphene, paving the way towards the chemical engineering of the electronic properties of graphene.

研究の動機と目的

• グラフェンの電子的不均一性の起源を解明し、電子デバイス応用におけるデバイス間ばらつきに寄与する要因を明らかにすること。
• 特にグラフェン-シリカ酸化物界面に存在する charged impurities が、局所的電子的性質に与える影響を調査すること。
• 水素の化学吸着およびポルフィリンの物理的吸着による化学ドーピングが、グラフェンの電子構造に与える影響を調査すること。
• 電子デバイス応用を想定した、グラフェンのバンド構造を化学的に設計可能かどうかを評価すること。

提案手法

• エキスフォリエーテッドグラフェン上に、スキャニングプローブ顕微鏡を用いてナノスケールで局所的電子的性質をマッピングした。
• グラフェン-基板界面における charged impurities が引き起こすキャリア密度の変動を分析した。
• 化学的蒸着法（CVD）で成長させたグラフェンを、水素の化学吸着およびポルフィリンの物理的吸着により改質し、電子的応答を調査した。
• 低バイアスでのコンダクタンス測定を用いて、改質されたグラフェンにおけるバンドギャップ形成を検出した。
• 電子的不均一性を、基板に起因する電荷フラクチュエーションおよび分子吸着効果と関連づけた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラフェン-シリカ酸化物界面に存在する charged impurities は、局所的キャリア密度および電子的不均一性にどのように影響を与えるか？
• RQ2 基板相互作用は、グラフェンベースの電子デバイスで観察されるばらつきに、どの程度寄与しているか？
• RQ3 水素の化学吸着は、CVD法で成長させたグラフェンの電子構造にどのように影響を与えるか？
• RQ4 ポルフィリンの物理的吸着は、グラフェンのコンダクタンスおよびバンド構造にどのような影響を与えるか？
• RQ5 化学ドーピングを用いて、電子デバイス応用のためのグラフェンのバンドギャップを設計可能か？

主な発見

• グラフェン-シリカ酸化物界面に存在する charged impurities は、局所的キャリア密度を顕著に変化させ、グラフェンデバイスのデバイス間ばらつきに寄与している。
• CVD法で成長させたグラフェンにおける水素の化学吸着は、低バイアスでコンダクタンスを強く低下させ、バンドギャップの形成を示している。
• グラフェン上に物理的吸着したポルフィリン分子も、低バイアスコンダクタンスを抑制しており、分子吸着による有効なバンドギャップの開口が示唆される。
• 水素化およびポルフィリン修飾グラフェンにおける観察されたコンダクタンスの抑制は、グラフェンの電子的性質を化学的に設計可能であることを裏付けている。
• 本研究は、エキスフォリエーテッドグラフェンにおける基板に起因する不規則性と電子的不均一性の直接的な関連を確立し、デバイスの性能ばらつきを説明した。