[論文レビュー] Electronic transport properties of Ir-decorated graphene

Yilin Wang, Shudong Xiao+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2015

Graphene research and applications参考文献 32被引用数 15

ひとこと要約

本研究では、イリジウム被膜グラフェンにおける電子輸送を調査し、低温下でIr原子が約100原子のクラスターを形成することを発見した。各クラスターはグラフェンに1つの電子を供与し、荷電不純物散乱中心として機能する。理論的予測では強いスピン軌道結合に起因する大きなトポロジカルギャップが予想されるが、観測されない。これは、クラスターに起因する不均一性がトポロジカル相を抑制しているためと推定される。

ABSTRACT

Graphene decorated with 5d transitional metal atoms is predicted to exhibit many intriguing properties; for example iridium adatoms are proposed to induce a substantial topological gap in graphene. We extensively investigated the conductivity of single-layer graphene decorated with iridium deposited in ultra-high vacuum at low temperature (7 K) as a function of Ir concentration, carrier density, temperature, and annealing conditions. Our results are consistent with the formation of Ir clusters of ~100 atoms at low temperature, with each cluster donating a single electronic charge to graphene. Annealing graphene increases the cluster size, reducing the doping and increasing the mobility. We do not observe any sign of an energy gap induced by spin-orbit coupling, possibly due to the clustering of Ir.

研究の動機と目的

• 超高真空および低温下におけるイリジウム被膜グラフェンの電子的輸送特性を実験的に調査すること。
• 理論的に予測されている強いスピン軌道結合に起因するイリジウム吸着原子によるトポロジカルギャップの誘発を検証すること。
• イリジウムクラスターの形成およびアニール処理が、グラフェンにおけるキャリア移動度およびドーピングに与える影響を調査すること。
• イリジウムクラスターの形成が、量子スピンホール効果または量子異常ホール効果の実現に与える影響を理解すること。

提案手法

• イリジウムを、7 Kで超高真空下で電子ビーム蒸着法により堆積させ、被膜量を制御した。
• 低周波数（3.7 Hz）の四端子ロックイン法を用いて、ゲート電圧（σ(Vg)）依存の電導度を測定した。
• 荷電不純物散乱を組み込んだ二バンドモデルにσ(Vg)をフィッティングすることで、移動度および残余電導度を抽出した。
• クラスター成長およびドーピングと移動度への影響を調査するために、アニール実験を実施した。
• 熱的活性化または対数的温度依存性を示すか否かを確認するため、温度依存抵抗率を測定した。
• Z = 1の荷電不純物に対する理論モデルと、カリウムドーピングされたグラフェンの実験結果とを比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 イリジウム被膜が、強化されたスピン軌道結合に起因してグラフェンにトポロジカルギャップを誘発するか？
• RQ2 イリジウムクラスターは、被膜量および温度の変化に伴いどのように形成・発達するか？
• RQ3 イリジウムクラスターがどれほど荷電不純物として機能するか、およびそのサイズがドーピングと移動度に与える影響はどの程度か？
• RQ4 理論的に予測される300 meVのトポロジカルギャップが実験で観測されないのはなぜか？

主な発見

• 7 Kでイリジウム吸着原子が約100原子のクラスターを形成し、それぞれがグラフェンに約1つの電子を供与する。これは、Z ≈ 1の荷電不純物散乱と整合的である。
• 電子およびホールの移動度は、イリジウム被膜量の増加に伴い低下し、マテュッシェンの法則に従い、散乱定数C ≈ 7×10^17 V⁻¹s⁻¹（電子）および9×10^17 V⁻¹s⁻¹（ホール）を示した。
• 350 Kでのアニールによりクラスターのサイズが増大し、ドーピングが減少（ΔVg,minがゼロに戻る方向にシフト）し、移動度が約7000から約6000 cm²/Vsに増加した。これは散乱効率の低下を示唆している。
• 顕著なバンドギャップは観測されず、抵抗率は温度低下に伴い対数的に増加した。これは熱的活性化ギャップとは不一致であり、弱い局在化または不純物効果を示唆している。
• トポロジカルギャップが観測されない理由は、イリジウムクラスターに起因するものであり、均一なスピン軌道結合を維持するための条件が破られているためと推定される。
• 高被膜量（>1.2 ML）では、Vg,minが回復し、抵抗率が増加した。これは、単純な荷電不純物散乱を超えた短距離的または膜状の不純度支配の領域に移行したことを示している。