[논문 리뷰] Ab initio Study of Graphene on SiC

Alexander Mattausch, Oleg Pankratov|arXiv (Cornell University)|2007. 04. 02.

Graphene research and applications인용 수 9

한 줄 요약

밀도함수이론을 이용한 ab initio 연구는 6H-SiC(0001) 상위의 첫 번째 그래핀 계층이 공유결합을 이루며 그래핀 유사 전자적 특성을 상실하는 것으로 밝혀졌다. 두 번째 그래핀 계층은 디랙 콘을 나타내며 약한 반데르발스 상호작용을 보이며, 자유상태 그래핀의 전자 스펙트럼을 복원한다. 전자적 성질은 종단면에 따라 각각 금속성(Si면) 또는 반도체성(C면)을 나타낸다.

ABSTRACT

Employing density-functional calculations we study single and double graphene layers on Si- and C-terminated 1x1-6H-SiC surfaces. We show that, in contrast to earlier assumptions, the first carbon layer is covalently bonded to the substrate, and cannot be responsible for the graphene-type electronic spectrum observed experimentally. The characteristic spectrum of free-standing graphene appears with the second carbon layer, which exhibits a weak van der Waals bonding to the underlying structure. For Si-terminated substrate, the interface is metallic, whereas on C-face it is semiconducting or semimetallic for single or double graphene coverage, respectively.

연구 동기 및 목표

• 에피택시얼 그래핀이 기질과의 상호작용에도 불구하고 자유상태 그래핀의 전자적 성질을 유지하는지 오랫동안 남아있던 질문을 해결하기 위해.
• 그래핀과 SiC 기질 사이의 결합 성질—공유결합인지 반데르발스 힘인지—를 규명하기 위해.
• Si-종단면과 C-종단면을 가진 SiC 표면이 그래핀 계층의 전자 구조에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 특히 첫 번째 그래핀 계층이 인터페이스에서 수행하는 역할, 특히 관측된 디랙 콘 스펙트럼에 기여하는지 여부를 명확히 하기 위해.
• 다른 SiC 표면에 그래핀을 증착함에 따라 일어나는 일함수 변화와 페르미 수준의 고정 정도를 정량화하기 위해.

제안 방법

• 국부 스핀 밀도 근사(LSDA)와 프rojector augmented wave(PAW) 허위전자를 사용한 밀도함수이론(DFT)을 적용하였다.
• VASP 코드를 사용하였으며, 평면파 截가 400 eV이고 브릴루아 존 통합에 7×7×1 k-점 샘플링을 사용하였다.
• 6H-SiC(6 bi-층)의 초세포를 구성하였으며, 한 개 또는 두 개의 그래핀 계층과 10–15 Å의 진공 간격을 확보하였다.
• 격자 불일치(8%)를 고려하기 위해 √3×√3R30° 단위세포를 사용하여 그래핀 계층을 늘여서 인터페이스를 모델링하였다.
• 전하 밀도, 일함수, 전자 밴드 구조를 계산하여 인터페이스 상태와 페르미 수준 정렬을 분석하였다.
• Si-종단면(0001)과 C-종단면(0001̄)의 6H-SiC 표면에 대한 결과를 비교하여 종단면 의존성 전자 구조 행동을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SiC 상위의 첫 번째 그래핀 계층이 기질과 공유결합을 형성하는가? 만약 그렇다면, 이는 전자 구조에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 자유상태 그래핀의 특징적인 디랙 콘 스펙트럼이 어느 그래핀 계층에서 복귀하는가?
• RQ3 Si-종단면 SiC 상의 그래핀 전자 구조는 C-종단면 SiC 상과 어떻게 다를까?
• RQ4 인터페이스는 페르미 수준의 고정과 일함수 변화에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 기질은 최상위 그래핀 계층의 전자적 성질에 어느 정도 영향을 미치는가?

주요 결과

• Si-종단면과 C-종단면 모두에서 6H-SiC(0001) 상위의 첫 번째 그래핀 계층은 기질과 공유결합을 이룬다. 결합 길이는 Si면 기준 2.0 Å, C면 기준 1.87 Å이며, 각각 단위세포당 0.72 eV와 0.60 eV의 에너지를 방출한다.
• 강한 공유결합과 인터페이스 상태로 인해 첫 번째 그래핀 계층은 페르미 수준에서 디랙 콘을 나타내지 않으며, 관측된 그래핀 유사 스펙트럼의 원인이 되지 않는다.
• 두 번째 그래핀 계층은 페르미 수준 근처에 선형 분산을 보이는 디랙 콘을 나타내며, 자유상태 그래핀 전자 구조의 복원을 확인한다.
• Si-종단면 SiC에서는 인터페이스가 금속성이며, 페르미 수준이 디랙 점 위에 고정되어 두 번째 계층이 n형 도핑된다.
• C-종단면 SiC에서는 페르미 수준이 정확히 디랙 점에 위치하여 자유상태 그래핀과 유사한 반도체 상태를 나타낸다.
• 일함수는 깨끗한 Si면의 4.75 eV에서 첫 번째 그래핀 계층이 존재할 경우 3.75 eV로 감소하며, 강한 전하 이동과 듀폴 형성의 증거가 된다. 반면 두 번째 계층은 자유상태 그래핀의 5.11 eV 수준에 가까운 일함수를 복원한다.