[論文レビュー] Magneto-transport of large CVD-grown graphene

Eric Whiteway, Victor Yu+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 26, 2010

Graphene research and applications被引用数 6

ひとこと要約

本研究は、銅箔上に化学的蒸着法（CVD）で成長させたセンチメートル級の単層グラフェンの磁気輸送特性を調査している。低温（30 mK）条件下で弱局在化と強局在化に起因するゼロ磁場抵抗ピークが明確に観測され、銅の結晶粒界に起因する大スケールの抵抗フラクチュエーションが、マクロな不均一性や接触のずれがあってもホールキャリア密度の高精度な抽出を可能にした。

ABSTRACT

We present magnetoresistance measurements on large scale monolayer graphene grown by chemical vapor deposition (CVD) on copper. The graphene layer was transferred onto SiO2/Si via PMMA and thermal release tape for transport measurements. The resulting centimeter-sized graphene samples were measured at temperatures down to 30mK in a magnetic field. We observe a very sharp peak in resistance at zero field, which is well fitted by weak localization theory. The samples exhibit conductance fluctuations symmetric in field, which are attributed to ensemble averaged conductance fluctuations due to large scale inhomogeneities consistent with the grain boundaries of copper during the CVD growth.

研究の動機と目的

• 小さな剥離フラクチュエーションに起因する制限を克服し、大規模なCVD成長単層グラフェンの磁気輸送特性を調査すること。
• 超低温下における大規模グラフェン試料のゼロ磁場抵抗ピークの起源を解明すること。
• マクロなグラフェンデバイスにおける大スケール抵抗フラクチュエーションの原因を特定すること。
• 顕著な接触ずれや不均一性が存在する中でも、ホールキャリア密度の信頼性の高い抽出を実証すること。
• 銅基板の結晶粒界が、転写されたグラフェンにおけるマクロな不均一性を引き起こす役割を評価すること。

提案手法

• 1025 °CでCH₄およびH₂ガスを用いて25 µm厚の銅箔上にCVD法で単層グラフェンを成長させ、その後、制御された冷却を施した。
• PMMAまたは熱剥離テープを用いてグラフェンをSiO₂/Si基板に転写し、膜の完全性を保持した。
• 銀ペースト接触を用いたバン・デア・ポーウ法を用い、30 mKの低温で磁気輸送測定を実施した。
• 局在化と接触ずれの寄与を分離するために、磁気抵抗の対称成分および反対称成分を分析した。
• 弱局在化および強局在化理論を適用し、局在化長ΔL_c(ϕ)/L_c(ϕ)のマッキャンの普遍的B依存性を含めた。
• B·L_ϕ²依存性を用いて位相相関長L_ϕ ≈ 450–550 nmを抽出し、局在化長L_c(0) ≈ 4 µmを推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 30 mKで観測された大規模CVD成長グラフェンにおけるゼロ磁場抵抗ピークの原因は何か？
• RQ2 銅基板の結晶粒界に起因するマクロな不均一性が、転写グラフェンの輸送特性にどの程度影響を及えるか？
• RQ3 顕著な抵抗フラクチュエーションと接触ずれが存在する中でも、ホールキャリア密度を信頼性高く抽出できるか？
• RQ4 弱局在化と強局在化効果が、大規模CVDグラフェンにおいてどのように共存しているか？
• RQ5 位相相関長L_ϕと局在化長L_cが、磁気抵抗応答を決定づける役割を果たすか？

主な発見

• 全測定対象のセンチメートルサイズCVD成長グラフェン試料で、B = 0 Tにおける非常に鋭い抵抗ピークが観測され、弱局在化および強局在化効果と整合的であった。
• 30 mKのデータは、局在化長の普遍的B依存性により良好にフィットし、L_ϕ / L_c(0) ≈ 0.11およびL_c(0) ≈ 4 µm（L_ϕ ≈ 450 nmのとき）が得られた。
• ΔL_cのB·L_ϕ²依存性から独立にL_ϕを推定した結果、L_ϕ ≈ 550 nmが得られ、マッキャン理論に基づく値と整合的であった。
• 約1%の抵抗フラクチュエーションが磁場に対して対称的かつ再現可能であり、量子的ではなく古典的不均一性を示した。
• これらのフラクチュエーションは、典型的なサイズ約500 µmの銅基板の結晶粒界に起因する大スケール不均一性に起因し、試料全域におけるキャリア密度および移動度に影響を及えた。
• 顕著な接触ずれや抵抗フラクチュエーションが存在する中でも、高精度なホール密度抽出が達成されたことから、測定手法の頑健性が示された。