[論文レビュー] Graphene on Rh(111): STM and AFM studies

Elena Voloshina, Yu. S. Dedkov+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2012

Graphene research and applications参考文献 37被引用数 68

ひとこと要約

本研究では、DFT-D2計算とSTM、AFMを組み合わせて、グラフェン/Rh(111)のモアレスーパーラティスを調査した。STMコントラストはバイアス電圧の符号に依存しないのに対し、AFMコントラストはチップの周波数シフトに強く依存する。主な発見は、高い周波数シフトで原子分解能のAFM像が得られ、ATOPサイトの個々の炭素原子が解像可能であることであり、AFMが2次元ヘテロ構造における化学的および電子的コントラストを独自にプローブできる能力を示している。

ABSTRACT

The electronic and crystallographic structure of the graphene/Rh(111) moiré lattice is studied via combination of density-functional theory calculations and scanning tunneling and atomic force microscopy (STM and AFM). Whereas the principal contrast between hills and valleys observed in STM does not depend on the sign of applied bias voltage, the contrast in atomically resolved AFM images strongly depends on the frequency shift of the oscillating AFM tip. The obtained results demonstrate the perspectives of application atomic force microscopy/spectroscopy for the probing of the chemical contrast at the surface.

研究の動機と目的

• 実験的および理論的手法を統合して、グラフェン/Rh(111)モアレスーパーラティスの電子的および結晶学的構造を理解すること。
• スキャントンネル顕微鏡（STM）および原子間力顕微鏡（AFM）が、グラフェン/Rh(111)表面の異なる吸着サイト（ATOP、HCP、FCC、BRIDGE）にどのように応答するかを調査すること。
• 特にチップ周波数シフトがAFMコントラストおよび解像度に与える影響を特定すること。
• AFM／スペクトロスコピーが2次元ファンデルワールスヘテロ構造における化学的および電子的不均一性をプローブする可能性を評価すること。
• DFT-D2計算（ファンデルワールス補正を含む）を用いて、実験的AFMおよびSTM結果を検証すること。

提案手法

• VASPを用いて、投影スカラー波関数法とPBE-GGA交換相関関数を用い、400 eVの平面波カットオフとDFT-D2によるファンデルワールス相互作用を含めたDFT-D2計算を実施した。
• 12×12のグラフェン層を4層のRh(111)スラブ上に配置した(11×11)スーパーセルを用い、18 Åの真空層とダイポール補正を適用してスラブ間相互作用を防止した。
• ポイントチップ近似を用いたTersoff-Hamann形式を用いてSTM像を計算した。
• 超高真空下で室温で、イン・スイートAr+イオンエッチングを用いてチップを洗浄したWチップを用いて、実験的STMおよびAFMデータを取得した。
• 共振センサを用いてAFMを実施し、f₀ = 1,001,541 Hz、A = 300 pmの振幅、z方向の周波数シフトΔfに基づくフィードバックを用いた。
• 実験的AFMコントラストを、力分光曲線およびDFTから得たサイト別電子構造と照合した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラフェン/Rh(111)のSTMコントラストは、印加バイアス電圧の符号にどのように依存するか？
• RQ2 グラフェン/Rh(111)の原子分解能AFM像において、周波数シフト依存のコントラストは何かの原因によるものか？
• RQ3 AFMは、グラフェン/Rh(111)表面の異なる原子サイト（ATOP、HCP、FCC、BRIDGE）を解像可能か？また、これはどのようなイメージング条件に依存するか？
• RQ4 異なる吸着サイトにおけるグラフェンの電子構造は、観測されたAFMおよびSTMコントラストにどの程度影響を及えるか？
• RQ5 AFMは2次元ヘテロ構造における化学的コントラストを検出可能か？また、局所的な電子的および構造的不均一性の解像度において、STMと比較してどう異なるか？

主な発見

• STMコントラストは、グラフェンの盛り上がり（ヒル）と盛り下がり（ボウル）の間で、印加バイアス電圧の符号に依存しない。これはDFT予測と一致する。
• AFM像のコントラストは、振動するチップの周波数シフトに強く依存しており、周波数シフトが高いほど解像度とコントラストが向上する。
• 高周波数シフトでの原子分解能AFM像では、ATOP、HCP、FCC、BRIDGEサイトが明確に区別され、ATOP位置ではグラフェンユニットセル内のすべての炭素原子が可視化されている。
• BRIDGEサイトは最大の引力を示し、平衡チップ-サンプル距離が最短であるため、AFMで高いコントラストを示すものと説明できる。
• ATOPサイトでの観測コントラストは、グラフェンとRh(111)の弱いハイブリダイゼーションに起因し、自由状態のグラフェンに類似した電子構造を示している。
• DFT-D2計算により、ATOPサイトにおける炭素原子に投影された部分密度状態が、自由状態のグラフェンとよく一致することが確認され、観測された解像度を支持する。