[論文レビュー] Initial stages of the graphite-SiC(0001) interface formation studied by photoelectron spectroscopy

K. V. Emtsev, Thomas Seyller+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2006

Silicon Carbide Semiconductor Technologies被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、光電子分光法を用いて、初期段階のグラファイト-SiC(0001)界面の形成を調査し、6√3再構成表面が基底面と相互作用することによって改変されたπバンドを示すsp²結合炭素を示すことを明らかにした。1250–1300 °Cで、電子的構造が変化しないグラフェン層が形成され、界面構造は6√3相と類似しており、SiC上でのグラフェン成長に不可欠な安定的で秩序高い界面であることが示された。

ABSTRACT

Graphitization of the 6H-SiC(0001) surface as a function of annealing temperature has been studied by ARPES, high resolution XPS, and LEED. For the initial stage of graphitization - the 6root3 reconstructed surface - we observe sigma-bands characteristic of graphitic sp2-bonded carbon. The pi-bands are modified by the interaction with the substrate. C1s core level spectra indicate that this layer consists of two inequivalent types of carbon atoms. The next layer of graphite (graphene) formed on top of the 6root3 surface at TA=1250-1300 degree C has an unperturbed electronic structure. The annealing at higher temperatures results in the formation of a multilayer graphite film. It is shown that the atomic arrangement of the interface between graphite and the SiC(0001) surface is practically identical to that of the 6root3 reconstructed layer.

研究の動機と目的

• 初期段階のグラファイト-SiC(0001)界面における原子的および電子的構造を理解すること。
• SiC基底面が最初の炭素層の電子的性質に及ぼす影響を特定すること。
• アニール温度の関数としての界面の構造的および電子的進化を同定すること。
• 6√3再構成表面とその後のグラフェン形成との関係を確立すること。
• SiC(0001)上に成長したグラフェン層の安定性および電子的完全性を評価すること。

提案手法

• 角度分解光電子分光法（ARPES）を用いて、界面の電子的バンド構造を測定した。
• 高分解能X線光電子分光法（XPS）を用いて、炭素原子の化学状態およびコアレベルシフトを分析した。
• 低エネルギー電子回折（LEED）を用いて、表面再構成および構造的秩序を確認した。
• 6H-SiC(0001)試料を1250 °Cから1400 °Cの温度でアニールすることで、グラファイト化段階を制御した。
• C1sコアレベルスペクトルの進化から、初期の6√3相に不等価な2種類の炭素種が存在することが明らかになった。
• 温度段階ごとの電子的構造の比較分析により、グラフェン形成の開始を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラファイト-SiC(0001)上での最初の炭素層の電子的構造は、初期グラファイト化段階でどのように変化するか？
• RQ2 6√3再構成表面は、グラファイトとSiCの界面をどのように媒介するか？
• RQ3 電子的構造が変化しないグラフェン層が形成されるアニール温度は何か？
• RQ4 界面に存在する炭素層のσバンドおよびπバンドは、バルクグラファイトとどのように異なるか？
• RQ5 グラファイト-SiC界面の原子配列は、6√3再構成表面と同一か？

主な発見

• 6√3再構成表面は、sp²結合炭素に特徴的なσバンドを示しており、そのグラファイト的性質が確認された。
• 6√3相におけるπバンドは、SiC基底面との相互作用によって変化しており、強い電子的結合が示唆された。
• C1sコアレベルスペクトルから、6√3層に不等価な2種類の炭素原子が存在することが判明し、構造的および電子的不均一性が示された。
• 1250–1300 °Cで、電子的構造が変化しないグラフェン層が形成され、基底面との相互作用が最小限であることが示された。
• 1300 °Cを超えるアニールでは、多層グラファイトの成長が進行したが、界面構造は6√3相と同一のままであった。
• グラファイト-SiC(0001)界面の原子配列は、6√3再構成表面とほぼ同一であり、構造的安定性が確認された。