[論文レビュー] Modification of the valence band electronic structure under Ag intercalation underneath graphite monolayer on Ni(111)

Yu. S. Dedkov, M. Poygin+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2003

Graphene research and applications被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、角度分解光電子分光法およびオージェ分光法を用いて、Ni(111)上に存在するグラファイト単層の下に銀がイオン化する過程を調査した。350–450 °Cでアニールを行うと、1–2単層のAgがイオン化し、グラファイト-Ni相互作用が弱まり、π状態では1.5–2 eV、σ状態では0.5–1 eV低下した結合エネルギーにグラファイト由来の価電子帯状態がシフトする。これは、Agによるスクリーニングに起因する、混合軌道の減少を示している。

ABSTRACT

Angle-resolved photoemission spectroscopy and Auger electron spectroscopy have been applied to study the intercalation process of silver underneath a monolayer of graphite (MG) on Ni(111). The room-temperature deposition of silver on top of MG/Ni(111) system leads to the islands-like growth of Ag on top of the MG. Annealing of the "as-deposited" system at temperature of 350-450 C results in the intercalation of about 1-2 ML of Ag underneath MG on Ni(111) independently of the thickness of pre-deposited Ag film (3-100 A). The intercalation of Ag is followed by a shift of the graphite-derived valence band states towards energies which are slightly larger than ones characteristic for pristine graphite. This observation is understood in terms of a weakening of chemical bonding between the MG and the substrate in the MG/Ag/Ni(111) system with a small MG/Ni(111) covalent contribution to this interaction.

研究の動機と目的

• Ni(111)上に存在するグラファイト単層の下にAgがイオン化する最適な温度を特定すること。
• オージェ電子分光法を用いて、グラファイト単層の下にイオン化したAgの量を定量すること。
• 角度分解光電子分光法を用いて、Agイオン化後のグラファイトの価電子帯電子構造の変化を調査すること。
• Agイオン化の前後における、グラファイト単層とNi(111)基板との間の電子的相互作用を理解すること。

提案手法

• 角度分解光電子分光法（ARPES）を用いて、50 eVの光子エネルギー、100 meVのエネルギー分解能、1°の角度分解能で、MG/Ag/Ni(111)系の価電子帯電子構造を測定した。
• 高エネルギー電子（1000 eV）を用いたオージェ電子分光法（AES）と0.25%の相対エネルギー分解能を用い、電子の非弾性平均自由行程を考慮して、イオン化Ag量を推定した。
• LEED、イオン銃、ガスインレットを備えたUHVセルを用いて、サンプルのインスイット準備および特性評価を実施した。
• プロピレン（C₃H₆）を用いて、熱的分解によりNi(111)上にグラファイト単層を成長させた。
• Ag被膜を蒸着したMG/Ni(111)系を350–450 °Cでアニールすることで、イオン化を誘発した。
• C、Ag、NiのAESピーク強度の解析を用いて、初期のAg蒸着量に依存しない形で、イオン化Agの厚さを推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラファイト単層の下にAgがイオン化する最適なアニール温度範囲は何か。ただし、系の劣化を伴わないものとする。
• RQ2 どの程度のAg（単層として）がグラファイト単層の下にイオン化するのか。また、その量は上に蒸着された初期のAg厚さに依存するのか。
• RQ3 Agイオン化によって、純粋なMG/Ni(111)系と比較して、グラファイト単層の価電子帯電子構造はどのように変化するのか。
• RQ4 Agイオン化後のグラファイト-Ni(111)相互作用の性質は何か。電子分散および混合軌道にどのような影響を与えるのか。

主な発見

• グラファイト単層の下にAgがイオン化する最適な温度範囲は350–450 °Cであり、500 °Cを超えると系の劣化が顕著に現れる。
• グラファイト由来のπ状態は約1.5–2 eV、σ状態は0.5–1 eV低下した結合エネルギーにシフトし、Ni(111)基板との相互作用が弱まっていることが示された。
• 初期のAg蒸着厚さ（3–100 Å）にかかわらず、約1–2単層のAgがグラファイト単層の下にイオン化する。
• 観察された価電子帯状態のシフトは、グラファイトとNi(111)間のπ–d混合軌道の弱体化に起因し、イオン化後もわずかな軌道混合が残存していることが示唆された。
• 極角が25°を超える（k|| > 1.4 Å⁻¹）領域でARPESスペクトルにπ状態の分裂が観察された。これは、イオン化後のグラファイト単層にドメインのずれや異方性電子応答が生じている可能性を示唆している。
• LEEDパターンは、15°回転したストライプが弱く観察される(1×1)六角形構造を示しており、Ni(111)基板に対してわずかな方位ずれを伴う秩序だったグラファイト様領域が存在することを示している。