[논문 리뷰] Electronic quality of graphene on different atomically flat substrates

Andrey V. Kretinin, Yan Cao외 19명|arXiv (Cornell University)|2014. 03. 20.

Semiconductor materials and interfaces참고 문헌 1인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 고품질 그래핀 헤테로구조를 위한 고체 기반으로서의 원자적으로 평탄한 대체 기반 물질을 조사하며, 모리브덴 디설파이드(MoS₂)와 tungsten 디설파이드(WS₂)가 인터페이스에서 자가청소 작용을 통해 약 60,000 cm²V⁻¹s⁻¹의 운반자 이동도를 가능하게 하여 헥사고날 붕소질화물(hBN)과 유사한 성능을 보임을 발견하였다. 반면, 밀라,비스무트 스트론티움 calcium 구리 산화물(BSCCO), 바나디움 펜타옥사이드와 같은 다층 산화물 기반에서는 약 1,000 cm²V⁻¹s⁻¹의 이동도를 보이며, 자가청소 작용이 없어 인터페이스 품질이 열악함을 시사한다.

ABSTRACT

Hexagonal boron nitride is the only substrate that has so far allowed graphene devices exhibiting micron-scale ballistic transport. Can other atomically flat crystals be used as substrates for making quality graphene heterostructures? Here we report on our search for alternative substrates. The devices fabricated by encapsulating graphene with molybdenum or tungsten disulphides and hBN are found to exhibit consistently high carrier mobilities of about 60,000 cm$^{2}$V$^{-1}$s$^{-1}$. In contrast, encapsulation with atomically flat layered oxides such as mica, bismuth strontium calcium copper oxide and vanadium pentoxide results in exceptionally low quality of graphene devices with mobilities of ~ 1,000 cm$^{2}$ V$^{-1}$s$^{-1}$. We attribute the difference mainly to self-cleansing that takes place at interfaces between graphene, hBN and transition metal dichalcogenides. Surface contamination assembles into large pockets allowing the rest of the interface to become atomically clean. The cleansing process does not occur for graphene on atomically flat oxide substrates.

연구 동기 및 목표

• 헥사고날 붕소질화물(hBN) 이외의 원자적으로 평탄한 기반에서 고이동도 그래핀 장치를 지원할 수 있는 대체 기반을 규명하는 것.
• 인터페이스 자가청소 작용이 그래핀 헤테로구조의 전자적 품질에 미치는 영향을 이해하는 것.
• 운동자 이동도 측면에서 전이 금속 디칼코겐화합물(TMDs)과 다층 산화물 간의 그래핀 성능을 비교하는 것.
• 어떤 기반은 고품질 인터페이스를 형성하는 반면 다른 기반은 그렇지 못하는 이유를 규명하는 것—비록 둘 다 원자적으로 평탄하더라도.

제안 방법

• 모리브덴 디설파이드(MoS₂), 텅스텐 디설파이드(WS₂), 헥사고날 붕소질화물(hBN)을 사용하여 그래핀을 봉입하는 방식으로 그래핀 헤테로구조를 제작하였다.
• 원자적으로 평탄한 다층 산화물 기반, 즉 밀라, 비스무트 스트론티움 칼슘 구리 산화물(BSCCO), 바나디움 펜타옥사이드를 사용하여 그래핀 장치를 제작하고 시험하였다.
• 실온에서의 운반자 이동도를 그래핀 장치의 전자적 품질을 평가하는 주요 지표로 측정하였다.
• 인터페이스 상호작용을 분석하여 그래핀-기반 인터페이스에서 자가청소 메커니즘이 존재하는지 여부를 평가하였다.
• 표면 오염과 인터페이스 재구성의 영향을 고려하여 다양한 기반 간의 이동도 추세를 비교 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 헥사고날 붕소질화물(hBN) 이외의 기반에서도 마이크론 크기의 비탄성 운반자 운동을 지원할 수 있는 고이동도 그래핀 장치를 구현할 수 있는가?
• RQ2 왜 모리브덴 디설파이드(MoS₂)와 텅스텐 디설파이드(WS₂)와 같은 전이 금속 디칼코겐화합물(TMDs)은 고운동자 이동도를 보이며, 다층 산화물은 그렇지 않은가?
• RQ3 인터페이스 자가청소 작용이 다양한 기반에 봉인된 그래핀의 전자적 품질에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ4 표면 오염과 인터페이스 재구성이 봉입된 그래핀 장치 성능에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 모리브덴 디설파이드(MoS₂)와 텅스텐 디설파이드(WS₂)로 봉입된 그래핀 장치는 약 60,000 cm²V⁻¹s⁻¹의 운반자 이동도를 달성하였다.
• 이 이동도는 그래핀/hBN 헤테로구조에서 관찰된 값과 유사하여 높은 전자적 품질을 나타낸다.
• 반면, 밀라, 비스무트 스트론티움 칼슘 구리 산화물(BSCCO), 바나디움 펜타옥사이드와 같은 다층 산화물 기반에서의 그래핀는 이동도가 약 1,000 cm²V⁻¹s⁻¹에 그쳤다.
• 산화물 기반에서의 낮은 이동도는 인터페이스에서 자가청소 작용이 없어 지속적인 표면 오염이 발생하기 때문으로 기인된다.
• 자가청소 작용은 그래핀/TMD 및 그래핀/hBN 시스템에서 관찰되었으며, 표면 오염 물질이 고리로 응집되어 나머지 인터페이스는 원자적으로 깨끗하게 유지되는 방식이었다.
• 산화물 기반에서는 자가청소 작용이 없어 고품질의 낮은 산란 인터페이스 형성이 불가능하여 전자적 성능이 심각하게 떨어진다.