[論文レビュー] Electronic quality of graphene on different atomically flat substrates

Andrey V. Kretinin, Yan Cao+19 more|arXiv (Cornell University)|Mar 20, 2014

Semiconductor materials and interfaces参考文献 1被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、高品質なグラフェンヘテロ構造を実現するためのヘキサゴナル窒化ホウ素（hBN）以外の原子的に平坦な基板の代替としての可能性を調査した。モリブデンジチリド（MoS₂）およびタングステンジチリド（WS₂）は、界面での自己洗浄作用により、約60,000 cm²V⁻¹s⁻¹のキャリア移動度を実現し、hBNと同等の性能を示した。一方、ミカやビスマスストロンチウムカルシウム銅酸化物（BSCCO）などの層状酸化物では、わずか約1,000 cm²V⁻¹s⁻¹の移動度にとどまり、自己洗浄が欠如していることによる界面品質の低さが原因であることが示された。

ABSTRACT

Hexagonal boron nitride is the only substrate that has so far allowed graphene devices exhibiting micron-scale ballistic transport. Can other atomically flat crystals be used as substrates for making quality graphene heterostructures? Here we report on our search for alternative substrates. The devices fabricated by encapsulating graphene with molybdenum or tungsten disulphides and hBN are found to exhibit consistently high carrier mobilities of about 60,000 cm$^{2}$V$^{-1}$s$^{-1}$. In contrast, encapsulation with atomically flat layered oxides such as mica, bismuth strontium calcium copper oxide and vanadium pentoxide results in exceptionally low quality of graphene devices with mobilities of ~ 1,000 cm$^{2}$ V$^{-1}$s$^{-1}$. We attribute the difference mainly to self-cleansing that takes place at interfaces between graphene, hBN and transition metal dichalcogenides. Surface contamination assembles into large pockets allowing the rest of the interface to become atomically clean. The cleansing process does not occur for graphene on atomically flat oxide substrates.

研究の動機と目的

• ヘキサゴナル窒化ホウ素（hBN）以外の、高移動度グラフェンデバイスを実現できる代替の原子的に平坦な基板を同定すること。
• グラフェンヘテロ構造の電子的品質を決定する要因としての界面における自己洗浄の役割を理解すること。
• 遷移金属ジチリド（TMD）と層状酸化物の間で、キャリア移動度という観点からグラフェンの性能を比較すること。
• 両者とも原子的に平坦であるにもかかわらず、なぜ一部の基板は高品質な界面を形成するのか、他の基板は形成しないのかを特定すること。

提案手法

• モリブデンジチリド（MoS₂）、タングステンジチリド（WS₂）、ヘキサゴナル窒化ホウ素（hBN）を用いて、グラフェンをカプセル化するヘテロ構造を形成した。
• ミカ、ビスマスストロンチウムカルシウム銅酸化物（BSCCO）、バナジウムペンタオキサイドを含む原子的に平坦な層状酸化物上にグラフェンデバイスを調製・評価した。
• 室温でのキャリア移動度を、グラフェンデバイスの電子的品質の主な指標として測定した。
• 界面相互作用を分析することで、グラフェン-基板界面における自己洗浄機構の有無を評価した。
• 表面汚染および界面再構成の影響を推察するために、異なる基板間での移動度の傾向を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヘキサゴナル窒化ホウ素（hBN）以外の基板でも、ミクロンスケールのボールスティック輸送を示す高移動度グラフェンデバイスを実現できるか？
• RQ2 MoS₂ や WS₂ などの遷移金属ジチリドはなぜグラフェンヘテロ構造で高キャリア移動度を示すのか、一方で層状酸化物は示さないのか？
• RQ3 界面における自己洗浄が、異なる基板上に形成されたグラフェンの電子的品質にどの程度影響を与えるのか？
• RQ4 表面汚染および界面再構成は、カプセル化されたグラフェンデバイスの性能にどのような役割を果たすのか？

主な発見

• モリブデンジチリド（MoS₂）およびタングステンジチリド（WS₂）でカプセル化されたグラフェンデバイスは、約60,000 cm²V⁻¹s⁻¹のキャリア移動度を達成した。
• この移動度は、グラフェン/hBNヘテロ構造で観察された値と同等であり、高い電子的品質を示している。
• 一方、ミカ、ビスマスストロンチウムカルシウム銅酸化物（BSCCO）、バナジウムペンタオキサイドなどの層状酸化物上に形成されたグラフェンでは、移動度がわずか約1,000 cm²V⁻¹s⁻¹にとどまった。
• 酸化物基板上での低移動度は、界面に自己洗浄が存在しないことによる、持続的な表面汚染が原因であるとされる。
• 自己洗浄は、グラフェン/TMDおよびグラフェン/hBN系で観察された。表面汚染物質がポケットに集まり、残りの界面は原子的に清浄な状態を保っていた。
• 酸化物基板上では自己洗浄が観察されず、高品質で散乱が少ない界面が形成されないため、電子的性能が著しく劣化した。