[論文レビュー] Ripples and Charge Puddles in Graphene on a Metallic Substrate

Sylvain Martin, Samaddar, S.+7 more|arXiv (Cornell University)|Apr 3, 2013

Graphene research and applications被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、酸素暴露後に金属と分離された白金系基板上に成長したグラフェンにおいて、電荷のプールと表面粗さのリップルが共存し、強く相関していることを、走査トンネル分光法（STM/STS）を用いて示した。金属的基板に近接しているにもかかわらず、系は線形ディラック型分散関係（vF = 0.89 × 10⁶ m/s）を示し、内在的な電子的性質の回復を確認した。一方、電荷の不均一性は依然として存在し、リップルと空間的に相関しており、基板の誘電スクリーニングや不純物に起因するものとは異なる、新たなプール形成機構の可能性を示唆している。

ABSTRACT

Graphene on a dielectric substrate exhibits spatial doping inhomogeneities, forming electron-hole puddles. Understanding and controlling the latter is of crucial importance for unraveling many of graphene's fundamental properties at the Dirac point. Here we show the coexistence and correlation of charge puddles and topographic ripples in graphene decoupled from the metallic substrate it was grown on. The analysis of interferences of Dirac fermion-like electrons yields a linear dispersion relation, indicating that graphene on a metal can recover its intrinsic electronic properties.

研究の動機と目的

• 金属的基板上に成長したグラフェンにおける電子・正孔プールの起源を、誘電体基板上とは異なる点に着目して調査すること。
• 強い基板相互作用があるにもかかわらず、金属上に成長したグラフェンがその内在的ディラックフェルミオン的電子的性質を回復できるかどうかを特定すること。
• 分離したIr(111)上に成長したグラフェンにおける表面粗さのリップルと電子的不均一性（電荷プール）との空間的相関を検討すること。
• 誘電体層が存在しない状況において、基板スクリーニングおよび界面相互作用がプール形成に果たす役割を評価すること。

提案手法

• 超高真空下で成長したIr(111)基板上に成長したグラフェンの表面粗さおよび局所状態密度（LDOS）を走査トンネル顕微鏡（STM）および分光法（STS）を用いてマッピングした。
• 低温（130 mK）でのSTS測定により、試料表面全域におけるディラック点エネルギー（ED）の高分解能マッピングが可能となった。
• 準粒子干渉パターンのフーリエ変換を用いて、電子的分散関係およびフェルミ速度（vF）を抽出した。
• 導電度の最小値（G(V)）に対する放物線的フィットを用いて、各空間位置における局所的ディラック点エネルギーEDを抽出した。
• 表面粗さおよび電子的マップを、平均的なプールサイズの半分未満の特徴を除去するフィルタリング処理を施し、長波長スケールの相関を抽出した。
• フィルタリング処理を施した表面粗さ（z(r)）とディラック点エネルギー（ED(r)）の間の正規化相互相関関数（χz−ED）を計算し、空間的相関を定量化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 金属的基板から分離したグラフェンにおいて、電荷プールが依然として存在するか。その場合、その起源は何か。
• RQ2 金属上に成長したグラフェンが、金属に近接しているにもかかわらず、その内在的ディラックフェルミオン的電子的分散関係を回復できるか。
• RQ3 分離したIr(111)上に成長したグラフェンにおいて、表面粗さのリップルと電子的不均一性（電荷プール）との間に空間的相関が存在するか。
• RQ4 金属的基板の存在が、誘電体基板と比較して、電荷プールの形成および性質にどのように影響を及ぼすか。

主な発見

• 準粒子干渉パターンのフーリエ解析により、グラフェンの電子バンド構造の線形分散関係が確認され、フェルミ速度はvF = 0.89 × 10⁶ m/sであった。
• ディラック点エネルギー（ED）は空間的に不均一であり、キャリア密度の標準偏差σn ≈ 1.1 × 10¹² cm⁻²の電子・正孔プールを形成していた。
• 表面粗さのリップルと電荷プールとの間に強い空間的相関（χz−ED > 60%）が観察され、表面形状と電子的不均一性との直接的な関連性が示された。
• 金属的基板が静電的スクリーニング板として機能しているにもかかわらず、電荷中性点付近に電荷プールが依然として存在しており、基板の誘電スクリーニングとは独立したメカニズムの存在を示唆している。
• 平均してディラック点エネルギー（ED）はE₀D = 340 meVであったが、UHV ARPES研究で報告された100 meVよりも高い値であり、p型ドーピング状態であることが示された。
• グラフェンの電子状態が金属基板状態と混合していないことが、線形ディラック分散の回復によって確認され、電子状態の分離（デカップリング）が成立していることが示された。