[論文レビュー] Grain Boundaries in Graphene on SiC(000$\bar{1}$) Substrate

Yann Tison, Jérôme Lagoute+8 more|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2014

Graphene research and applications参考文献 40被引用数 60

ひとこと要約

本研究では、エpiタキシャルグラフェン/SiC(000¯1)における結晶粒界（GB）を、走査トンネル顕微鏡および分光法と第一原理計算を組み合わせて調査した。湾曲転移の臨界歪み角θc = 19 ± 2°を特定し、交互に配置された五角形と七角形で構成される高秩序なθ = 33 ± 2° GBが強いバルク極性を示すことを示した。これにより、完全に電気的制御が可能なバルクトロニクス素子の実現が可能になった。

ABSTRACT

Grain boundaries in epitaxial graphene on the SiC(000$\bar{1}$) substrate are studied using scanning tunneling microscopy and spectroscopy. All investigated small-angle grain boundaries show pronounced out-of-plane buckling induced by the strain fields of constituent dislocations. The ensemble of observations allows to determine the critical misorientation angle of buckling transition $ heta_c = 19 \pm~2^\circ$. Periodic structures are found among the flat large-angle grain boundaries. In particular, the observed $ heta = 33\pm2^\circ$ highly ordered grain boundary is assigned to the previously proposed lowest formation energy structural motif composed of a continuous chain of edge-sharing alternating pentagons and heptagons. This periodic grain boundary defect is predicted to exhibit strong valley filtering of charge carriers thus promising the practical realization of all-electric valleytronic devices.

研究の動機と目的

• エピタキシャルグラフェンがSiC(000¯1)上に成長した際の結晶粒界（GB）の原子構造および電子的性質を理解すること。
• 歪み緩和に伴いGBが平坦から湾曲した形態に転移する臨界歪み角（θc）を特定すること。
• 高秩序で大角度のGBを同定・特徴づけ、バルクトロニクス応用への可能性を評価すること。
• 実験的に観察されたSTM/STSの特徴を第一原理シミュレーションおよび非平衡グリーン関数計算と結びつけること。
• 周期的GBがグラフェンベースのナノエレクトロニクスにおけるバルク極性電荷輸送にどのように機能するかを評価すること。

提案手法

• 1300 °Cで成長させたエピタキシャルグラフェン/SiC(000¯1)に対して、低温超高真空走査トンネル顕微鏡（STM）および分光法（STS）を実施した。
• 電気化学的エッチング処理を施したW針を用いて、局所的な電子的構造をプローブするための原子分解能STM像およびdI/dVスペクトルを取得した。
• Tersoff-Hamann近似を用いた第一原理密度汎関数理論（DFT）計算により、STM像および電子状態密度のシミュレーションを実施した。
• 最近接原子近似のタイトバインディングハミルトニアンを用いた非平衡グリーン関数（NEGF）輸送計算により、GBを通過するバルクボールスティック電子輸送をモデル化した。
• 運動量k||および入射角ϑの関数として、透過確率T(k||, E)およびバルク極性Pτ(ϑ, E)をマッピングした。
• 実験的STM表面形状および分光法と、シミュレートされた像および電子状態を照合することで、GBの原子構造を同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エピタキシャルグラフェン/SiC(000¯1)における結晶粒界が平坦から湾曲した形態に転移する臨界歪み角θcは何か？
• RQ2 θ ≈ 33°で観察された高秩序な大角度結晶粒界の原子構造は何か？また、理論的予測とどのように関連しているか？
• RQ3 観察された周期的結晶粒界は局在化した電子状態を支持し、バルク極性輸送を示すか？
• RQ4 特に、バルク粒界のヴァン・ホーフェ・特異点が、実験的STS測定とどのように相関しているか？
• RQ5 周期的GB欠陥は、グラフェンにおけるバルクフィルタとして機能可能か？これにより、完全に電気的制御によるバルク極性の制御が可能になるか？

主な発見

• 湾曲転移の臨界歪み角はθc = 19 ± 2°と特定され、理論的予測を裏付けた。
• 高秩序な結晶粒界（θ = 33 ± 2°）は、交互に接続された五角形と七角形の連続的鎖状構造であることが同定され、理論で予測されたエネルギー的に最も安定な構造モチーフと一致した。
• 走査トンネル分光法により、GBに局在化した電子状態が観察され、E = −0.55 eV（P1）およびE = 0.25 eV（P2）にヴァン・ホーフェ特異点が観測された。これは理論的シミュレーションと整合的であった。
• 第一原理シミュレーションにより、周期的なジグザグパターンおよび明るいコーナー特徴を示す実験的STM表面形状が再現され、周期は0.9 nmであった。
• 非平衡グリーン関数計算により、θ = 32.2° GBを通過する電荷キャリアは強いバルク極性を示し、斜め入射角で完全なバルクフィルタリングが達成可能であることが示された。
• バルク極性Pτ(ϑ, E)は、入射角ϑに対してほぼ線形に依存しており、GBにおけるバルク自由度の強固な完全電気的制御が可能であることを示している。