[論文レビュー] Rotational domains of graphene on Ir(111)

Elena Loginova, Shu Nie+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 8, 2009

Graphene research and applications被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、LEEM、LEED、STMを用いて、Ir(111)上に存在するグラフェンの3つの新しい回転領域を同定し、それぞれの不整列角度は約14°、18.5°、30°であった。30°回転構造はさらにSTMで分析され、原子モデルが提案された。冷却中に形成される線形欠険は、基底板収縮に起因する局所的な剥離によるグラフェンリッジであると特定された。

ABSTRACT

We use low-energy electron microscopy (LEEM), low energy electron diffraction (LEED) and scanning tunneling microscopy (STM) to study four different orientations of single graphene sheets on Ir(111). The most-abundant orientation has been previously characterized in the literature. As measured using selective-area LEED, we find the graphene sheets in the other three variants to be rotated by approximately 14, 18.5 and 30 degrees, respectively. The 30-degree-rotated structure is also studied by STM. We propose atomic models for the new variants. The moire structures can be classified using simple geometric rules involving the different periodic and quasiperiodic structural motifs. In addition, LEEM reveals that linear defects form in the graphene sheets during cooling from the synthesis temperature. STM shows that the defects are ridges where the graphene sheets locally delaminate as the Ir substrate contracts.

研究の動機と目的

• 単層グラフェンがIr(111)上に存在する以前に報告のなかった回転配向を同定・特徴付けること。
• グラフェン-基底板格子不整合によって生じる構造モチーフおよびモアレパターンを理解すること。
• 合成温度からの冷却中に観察された線形欠険の発生原因と性質を調査すること。
• 幾何学的および回折解析に基づいて、新たに同定された回転バリアントの原子モデルを構築すること。

提案手法

• 大面積のグラフェンドメインを像像し、線形欠陥を検出するために低エネルギー電子顕微鏡（LEEM）を用いた。
• グラフェンとIr(111)基底板間の回転角度を測定するために、選択領域低エネルギー回折（LEED）を適用した。
• 30°回転グラフェンバリアントの原子スケール構造を解明するために走査トンネル顕微鏡（STM）を用いた。
• 周期的および準周期的構造モチーフとの関係を示す幾何学的ルールを用いて、モアレパターンを分析した。
• 冷却中の構造的変化と欠陥形成（特にリッジ状の特徴）を関連付けて分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3つの新たに観察されたドメインにおける、グラフェンとIr(111)との間の回転不整列角度は何か？
• RQ2 これらの回転ドメインにおけるモアレスーパーパターンは、下地の格子周期性とどのように関係しているか？
• RQ3 合成温度からの冷却中にグラフェンに線形欠陥が形成される原因は何か？
• RQ4 観察された回転バリアントおよびその界面構造を説明する原子モデルを構築できるか？
• RQ5 Ir基底板の熱収縮は、グラフェンの剥離および欠陥形態にどのように寄与するか？

主な発見

• Ir(111)上に存在するグラフェンの3つの新しい回転ドメインが同定され、基底板に対する不整列角度はそれぞれ約14°、18.5°、30°であった。
• 30°回転グラフェン構造はSTMで像像され、提案された原子モデルと整合する複雑なモアレパターンが確認された。
• LEED解析により回転角度が高精度で確認され、新たなバリアントの分類を支持する結果が得られた。
• LEEMにより冷却中に形成される線形欠陥の存在が明らかになった。後続のSTMにより、これらは局所的グラフェン剥離に起因するリッジであると確認された。
• 欠陥は、Ir(111)とグラフェンの間の熱収縮率の違いに起因し、界面で局所的に持ち上がり、リッジが形成されたと特定された。
• 周期的および準周期的格子マッチングに基づく幾何学的ルールを用いて、モアレ構造が成功裏に分類された。