[論文レビュー] Millimeter-Scale, Highly Ordered Single Crystalline Graphene Grown on Ru (0001) Surface

Yu‐Chen Pan, Nian Jiang+5 more|ArXiv.org|Sep 18, 2007

Graphene research and applications被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、炭素ドーピングされたルテニウム単結晶を熱アニールすることで、Ru(0001)表面にミリメートルスケールで高秩序な単結晶グラフェンが成長することを示した。低エネルギー電子回折と走査トンネル顕微鏡を用いて、長距離秩序と完全な結晶性が確認された。第一原理計算により、約0.81%の平均格子ひずみを示す不整合グラフェン-Ru超格子が存在することが明らかになった。

ABSTRACT

We demonstrate a method for synthesizing large scale single layer graphene by thermal annealing of ruthenium single crystal containing carbon. Low energy electron diffraction indicates the graphene grows to as large as millimeter dimensions with good long-range order, and scanning tunneling microscope shows perfect crystallinity. Analysis of Moire pattern augmented with first-principles calculations shows the graphene layer is incommensurate with the underlying Ru(0001) surface forming a N by N superlattice with an average lattice strain of ~ +0.81%. Our findings offer an effective method for producing high quality single crystalline graphene for fundamental research and large-scale graphene wafer for device fabrication and integration.

研究の動機と目的

• デバイス統合に適した大面積・高品質単結晶グラフェンをスケーラブルに製造する方法の開発。
• 従来の化学気相成長（CVD）法によるグラフェン合成における結晶粒界や欠际の課題を克服すること。
• 単結晶基板上においてミリメートルスケールの範囲で長距離結晶秩序を達成すること。
• 原子レベルでのグラフェンとRu(0001)基板間のエピタキシャル関係および格子ひずみを理解すること。
• 明確に定義された金属表面におけるグラフェンの電子的・機械的性質の基礎的研究のためのモデル系を提供すること。

提案手法

• 炭素ドーピングされたルテニウム単結晶を熱アニールして表面にグラフェンを形成する。
• 長距離秩序およびグラフェン層の結晶性を評価するために低エネルギー電子回折（LEED）を用いる。
• 走査トンネル顕微鏡（STM）を用いて原子スケールの表面構造を画像化し、単結晶性を確認する。
• グラフェンとRu(0001)の間で形成されるモアレパターンを分析し、超格子周期性および不整合性を特定する。
• 第一原理密度汎関数理論（DFT）計算を実施し、界面相互作用をモデル化し、格子ひずみを定量する。
• 構造的および計算的データを用いて、グラフェン層の平均格子ひずみをRu(0001)基板に対して特徴付ける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 制御された熱アニールプロセスを用いて、単結晶金属基板上にミリメートルスケールで単結晶グラフェンを合成可能か？
• RQ2 LEEDおよびSTMによる確認において、Ru(0001)上に成長したグラフェン層の長距離秩序および結晶性はどの程度か？
• RQ3 格子不整合および超格子形成の観点から、グラフェン格子とRu(0001)基板との相互作用はいかなるものか？
• RQ4 Ru(0001)表面との不整合界面により、グラフェン層に生じる平均格子ひずみはどの程度か？
• RQ5 第一原理計算は、グラフェン-Ru(0001)系における界面構造およびひずみ分布を正確に予測できるか？

主な発見

• 低エネルギー電子回折により、グラフェン層が優れた長距離秩序を示すことが確認された。
• 走査トンネル顕微鏡により、結晶粒界のない完全に秩序のとれた単結晶グラフェン表面が観察された。
• グラフェンはRu(0001)基板と不整合N×N超格子を形成しており、完全な格子一致がないことが示された。
• 第一原理計算により、グラフェン層の平均格子ひずみが、Ru(0001)表面との不一致により約+0.81%であることが判明した。
• モアレパターン解析により、界面に明確な周期的調制を持つスーパーパターンが形成されていることが確認された。
• 本手法により、基礎的研究およびデバイス応用に適した高品質で大面積の単結晶グラフェンが得られるようになった。