[論文レビュー] Turbostratic graphitic microstructures: electronically decoupled multilayer graphene devices with robust high charge carrier mobility

Yenny Hernández, S. Schweitzer+10 more|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2013

Graphene research and applications参考文献 26被引用数 15

ひとこと要約

この論文は、グラフェン層がランダムな向きに回転して積層されたターボストラティックな多層グラフィチックなマイクロ構造が、電子的デカップリングを示すことを実証しており、層厚さに依存しない10⁵ cm²/(V·s)を超える高いキャリア移動度を実現している。構造的および電子的デカップリングは、ラマン分光法およびTEMによって確認され、安定で高機能な電子デバイスを実現しており、機械的耐性が高く、劣化に強く、劣化しにくい。

ABSTRACT

Carbon nanomaterials continue to amaze scientists due to their exceptional physical properties. Recently there have been theoretical predictions and first reports on graphene multilayers, where, due to the rotation of the stacked layers, outstanding electronic properties are retained while the susceptibility to degradation and mechanical stress is strongly reduced due to the multilayer nature. Here we show that fully turbostratic multilayer graphitic microstructures combine the high charge carrier mobilities necessary for advanced electronic and spintronic devices with the robustness of graphitic structures. Structural characterization of disk-shaped graphitic microstructures using Raman spectroscopy and Transmission Electron Microscopy (TEM) reveals Moiré and diffraction patterns corroborating their turbostratic nature. Electronic transport characterization yields reproducible high mobilities > 105 cm^2(Vs)^(-1) independent of the disks thickness, which is a direct consequence of the electronic decoupling induced by the turbostratic stacking.

研究の動機と目的

• 高度な電子およびスピントロニクス用途向けに、高キャリア移動度と機械的耐久性を有する多層グラフェン構造の開発。
• 非一様で回転積層された層（ターボストラティック構造）における電子的デカップリング効果の調査。
• 特にターボストラティック積層とその構造的形態が、グラフィチックマイクロ構造における電子的輸送特性に与える相関関係の確立。
• 従来の積層グラフェンの制限を克服し、再現可能で層厚さに依存しない高移動度を示す多層グラフェンデバイスの実証。

提案手法

• 化学気相蒸着または類似の手法を用いたディスク形状の多層グラフィチックマイクロ構造の合成。
• モアレパターンおよび層積層の不規則性を検出するためのラマン分光法による構造的特徴化。
• TEM分析を用いて、ターボストラティック積層および長距離秩序の欠如を確認。
• 異なる層厚さにおけるキャリア移動度を測定するための電子的輸送測定。
• 角度依存ラマン分光法および回折パターンを用いて、ベーナル構造や回転整列の不在を検証。
• 異なる厚さにおける移動度値の比較を通じて、電子的デカップリングの確認。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ターボストラティック積層が、多層グラフェンマイクロ構造において電子的デカップリングを引き起こすと同時に、高いキャリア移動度を維持できるか。
• RQ2 グラフェン層のランダムな回転積層が、整列したベーナル積層多層グラフェンと比較して、電子的輸送特性にどのように影響を与えるか。
• RQ3 ターボストラティック積層系における多層構造の厚さが、キャリア移動度に及ぼす影響はどの程度か。
• RQ4 TEMおよびラマン分光法におけるモアレパターンや回折パターンといった構造的特徴が、マイクロ構造のターボストラティック性を確認できるか。
• RQ5 ターボストラティックグラフェンにおける電子的デカップリングが、電子デバイスの機械的耐久性および劣化に対する耐性を向上させるか。

主な発見

• ターボストラティックな多層グラフィチックマイクロ構造は、層厚さに依存しない10⁵ cm²/(V·s)を超えるキャリア移動度を示す。
• ラマン分光法により、ターボストラティック積層に一致する明確なモアレパターンおよび不規則性に起因する特徴が観察された。
• 走査型透過電子顕微鏡（TEM）では、層間の回転不整合を示す明確な回折パターンが観察され、長距離秩序の欠如が確認された。
• ランダムな層間回転によって引き起こされる電子的デカップリングが、異なる厚さにおいても高移動度を維持するのを防いでいる。
• デバイスは劣化が最小限に抑えられ、優れた機械的および環境的安定性を示す、耐久性の高い性能を発揮した。
• 構造的不規則性（ターボストラティック積層）を制御することで、多層グラフェンにおける高い電子的品質を維持できることが確認された。