[論文レビュー] Spatial corrugation and bonding of single layer graphene on Rh(111)

Mikhail Fonin, M. Sicot+7 more|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2010

Graphene research and applications被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、Rh(111)上にエpitaxialな単層グラフェンの構造を調査し、超胞の「ブリッジ」領域で強い結合を示す、特異的で著しく波打つモアレ超構造を明らかにした。高分解能STMおよび価電子帯光電子分光法により、グラフェンとRh(111)の間で顕著な軌道混合が確認され、STM像では明著な陥没部が観察され、C 1sコアレベルスペクトルでは0.44 eVのエネルギー分裂が観測された。これは、グラフェンベースのナノシステム設計に不可欠な、強い空間的に周期的な相互作用を示している。

ABSTRACT

Topographic scanning tunneling microscopy (STM) images of epitaxial single layer graphene on the Rh(111) surface reveal that extended single crystalline graphene domains are produced without any defects on a large scale. High resolution imaging shows that the moiré structure resulting from the lattice mismatch between the Rh(111) substrate and graphene is highly corrugated, containing regions of an additional spatial modulation in the moiré supercell compared with those previously reported for graphene on Ir(111) or graphene on Ru(0001). These areas, which correspond to the "bridge" regions of the moiré structure appear as depressions in STM images indicating a strong orbital hybridization between the graphene layer and the metallic substrate. Valence-band photoemission confirms the strong hybridization between graphene and Rh(111) which leads to the pronounced corrugation of the graphene layer. Our findings underline the importance of considering substrate effects in epitaxially grown graphene layers for the design of graphene-based nanoscale systems.

研究の動機と目的

• エpitaxial単層グラフェン/Rh(111)系の原子スケール構造と結合性を理解すること。これは、強い結合を示すグラフェン/Ru(0001)と弱い結合を示すグラフェン/Ir(111)の中間的性質を示す系である。
• モアレ超構造に見られる空間的波打つ構造の起源と、その電子的ハイブリダイゼーションとの関連を解明すること。
• 基底面に特有の相互作用が、エpitaxialグラフェンの電子的および幾何的構造にどのように影響を与えるかを特定すること。
• グラフェン/Ni(111)およびh-BN/Rh(111)を含む他のグラフェン/金属系と比較し、グラフェン/Rh(111)の結合性および電子的応答を評価すること。

提案手法

• 室温で超高真空下で、W針を用いたイン situ スキャントンネル顕微鏡（STM）を実施。定電流モードとサンプルバイアス電圧を用いた。
• 長距離秩序およびRh(111)上に形成されたグラフェン過剰層のモアレ周期性を確認するため、低エネルギー電子回折（LEED）を実施した。
• BESSYで、80 meVのエネルギー分解能を持つPHOIBOS 100エネルギー分析器を用いて、価電子帯およびコアレベル光電子分光法（PES）を実施した。
• 予め清掃されたRh(111)表面にプロピレンの熱分解（900–1100 K）を用いて、連続的で単結晶性の高いグラフェンドメインを成長させた。
• クリーニング処理として、Ar+イオンスパッタリング、フラッシュアニーリング（約1500 K）、O2アニーリングを実施し、完全に清浄なRh(111)表面を確保した。
• 既知の系（例：グラフェン/Ru(0001)、グラフェン/Ir(111)、h-BN/Rh(111)）と比較することで、本系の特徴的な結合特性を強調した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラフェン/Rh(111)におけるモアレ超胞の原子構造は、Ir(111)上またはRu(0001)上に形成されたグラフェンとどのように異なるか？
• RQ2 グラフェン/Rh(111)のSTM像で観察される顕著な空間的波打つ構造の起源は何か？
• RQ3 モアレ超胞の異なる領域におけるグラフェンとRh(111)の軌道ハイブリダイゼーションは、どのように変化するか？
• RQ4 光電子分光法による証拠から、グラフェン/Rh(111)の電子構造はどの程度強くハイブリダイズされていると示唆されるか？
• RQ5 h-BN/Rh(111)とは異なり、金属的性質を示すにもかかわらず、なぜグラフェン/Rh(111)ではSTM像で明確なコントラスト変動が観察されるのか？

主な発見

• 高分解能STMにより、Ir(111)やRu(0001)上とは異なり、Rh(111)上に特徴的なモアレ超構造が確認され、それ以上に波打つ領域が観察された。
• モアレ超胞の「ブリッジ」領域がSTM像で陥没部として現れ、グラフェンとRh(111)の強い軌道ハイブリダイゼーションを示している。
• C 1sコアレベルPESでは0.44 eVのエネルギー分裂が観測され、高結合エネルギー成分は強く結合した領域（A2, A3, A4）に起因するとされ、空間的に周期的な結合強度の変動が確認された。
• 価電子帯PESにより、グラファイトと比較してπ状態が2.3 eVシフトしていることが判明し、グラフェンπバンドとRh 4d状態の強いハイブリダイゼーションが示された。
• h-BN/Rh(111)とは異なり、グラフェン/Rh(111)ではπ/σバンドの分裂が観察されないため、グラフェンの金属的性質と低い波打つ構造の影響により、電子的応答に差が生じていると考えられる。
• グラフェン/Rh(111)の結合強度はグラフェン/Ru(0001)と同等であるが、モアレ単位胞内の原子レジストリの違いにより、より複雑な局所的ハイブリダイゼーションパターンを示している。