[論文レビュー] The Atomic-scale Growth of Large-Area Monolayer Graphene on Single-Crystal Copper Substrates

Liyun Zhao, Kwang Taeg Rim+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 20, 2010

Graphene research and applications被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、超高真空化学蒸着法（UHV-CVD）を用いて単結晶銅基板上に成長する大面積モノレイヤー石墨烯の原子スケールの成長を調査した。原子分解能走査トンネル顕微鏡（STM）により、石墨烯はCu(111)およびCu(100)格子と整列して成長し、Cu(111)では六角形スーパーユニット構造、Cu(100)では線形スーパーユニット構造を形成することが判明した。特に、Cu(111)上では格子不純度が少なく、界面欠険が少ないため、最高品質の薄膜が得られた。

ABSTRACT

We study the growth and microscopic structure of large-area graphene monolayers, grown on copper single crystals by chemical vapor deposition (CVD) in ultra-high vacuum (UHV). Using atomic-resolution scanning tunneling microscopy (STM), we find that graphene grows primarily in registry with the underlying copper lattice for both Cu(111) and Cu(100). The graphene has a hexagonal superstructure on Cu(111) with a significant electronic component, whereas it has a linear superstructure on Cu(100). The film quality is limited by grain boundaries, and the best growth is obtained on the Cu(111) surface.

研究の動機と目的

• 大面積モノレイヤー石墨烯の単結晶銅基板上における原子スケールの成長メカニズムを理解すること。
• 石墨烯と下部銅格子の間の構造的・電子的関係を調査すること。
• 膜品質を制限する要因、特に格子界形成を同定すること。
• 特にCu(111)とCu(100)の異なる結晶指向性における成長行動と膜品質を比較すること。

提案手法

• 単結晶銅基板上にモノレイヤー石墨烯を超高真空化学蒸着法（UHV-CVD）で成長させること。
• 原子分解能走査トンネル顕微鏡（STM）を用いて、原子スケールで石墨烯と銅の界面をイメージングすること。
• Cu(111)およびCu(100)表面に形成された構造的スーパーユニットを分析し、格子整列と対称性を特定すること。
• 石墨烯-Cu界面の電子構造を測定し、基板が石墨烯の電子的性質に与える影響を評価すること。
• 欠陥密度と格子界形成の観点から、異なる銅指向性における膜品質を比較すること。
• 基板の結晶指向性が、石墨烯のエpitaxial整列および成長キネティクスに与える役割に注目すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銅基板の原子構造は、石墨烯のエpitaxial成長にどのように影響するか？
• RQ2 石墨烯がCu(111)およびCu(100)表面に成長する際に形成されるスーパーユニットは何か？その違いの原因は何か？
• RQ3 基板の電子構造は、石墨烯-基板相互作用をどのように媒介しているか？
• RQ4 なぜCu(111)上ではCu(100)よりも膜品質が優れているのか？その構造的要因は何か？
• RQ5 格子界形成は、大面積モノレイヤー石墨烯膜の品質にどの程度制限要因となるか？

主な発見

• Cu(111)およびCu(100)両表面において、石墨烯は下部銅格子と整列して成長しており、強いエpitaxial整列が示された。
• Cu(111)上では、顕著な電子的寄与を示す六角形スーパーユニット構造が形成され、強い基板相互作用が示唆された。
• Cu(100)上では線形スーパーユニット構造が観察され、Cu(111)とは異なる対称性および相互作用メカニズムであることが示された。
• 最高品質の石墨烯膜はCu(111)上に達成され、欠陥が少なく、格子界密度が低かった。
• 格子界は、大面積モノレイヤー成長においても膜品質を制限する主な要因であると特定された。
• 石墨烯-基板界面の原子スケールの構造および電子的性質は、銅の結晶指向性に強く依存していた。