[논문 리뷰] Modification of the valence band electronic structure under Ag intercalation underneath graphite monolayer on Ni(111)

Yu. S. Dedkov, M. Poygin외 4명|arXiv (Cornell University)|2003. 04. 25.

Graphene research and applications인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 니켈(111) 상면에 존재하는 그래핀 단일층 아래에 은이 삽입되는 현상을 역각도 분광법 및 아우저 분광법을 이용해 조사한다. 350–450 °C에서의 소성 처리는 1–2 단일층의 Ag가 삽입되게 하며, 이는 그래핀-Ni 상호작용을 약화시키고, π 상태의 경우 약 1.5–2 eV, σ 상태의 경우 0.5–1 eV 감소하는 바인딩 에너지로 이동시켜, Ag에 의한 스크리닝로 인한 하이브리드화 감소를 나타낸다.

ABSTRACT

Angle-resolved photoemission spectroscopy and Auger electron spectroscopy have been applied to study the intercalation process of silver underneath a monolayer of graphite (MG) on Ni(111). The room-temperature deposition of silver on top of MG/Ni(111) system leads to the islands-like growth of Ag on top of the MG. Annealing of the "as-deposited" system at temperature of 350-450 C results in the intercalation of about 1-2 ML of Ag underneath MG on Ni(111) independently of the thickness of pre-deposited Ag film (3-100 A). The intercalation of Ag is followed by a shift of the graphite-derived valence band states towards energies which are slightly larger than ones characteristic for pristine graphite. This observation is understood in terms of a weakening of chemical bonding between the MG and the substrate in the MG/Ag/Ni(111) system with a small MG/Ni(111) covalent contribution to this interaction.

연구 동기 및 목표

• Ni(111) 상면에 존재하는 그래핀 단일층 아래에 Ag가 삽입되는 데 최적의 온도를 규명하는 것.
• 아우저 전자 분광법을 이용하여 그래핀 단일층 아래에 삽입된 Ag의 양을 정량화하는 것.
• 역각도 분광법을 이용하여 Ag 삽입 이후 그래핀의 밴드 전자 구조 변화를 조사하는 것.
• Ag 삽입 전후의 그래핀 단일층과 Ni(111) 기초 사이의 전자 상호작용을 이해하는 것.

제안 방법

• 50 eV의 광자 에너지, 100 meV의 에너지 해상도, 1°의 각도 해상도를 사용하여, MG/Ag/Ni(111) 시스템의 밴드 전자 구조를 분석하기 위해 역각도 분광법(ARPES)을 적용하였다.
• 고에너지 전자(1000 eV)와 0.25%의 상대 에너지 해상도를 사용한 아우저 전자 분광법(AES)을 활용하여, 전자의 비탄성 평균 자유로움 길이를 고려하여 삽입된 Ag의 양을 추정하였다.
• LEED, 이온 총, 기체 유입구를 갖춘 고진공 캐비닛을 통해 현장에서의 표면 준비 및 특성 분석이 가능했다.
• 프로필렌(C₃H₆)을 사용하여 열분해를 통해 Ni(111) 상면에 그래핀 단일층을 형성하였다.
• Ag가 증착된 MG/Ni(111) 시스템에 대해 350–450 °C에서 소성 처리를 시행하여 삽입을 유도하였다.
• C, Ag, Ni의 AES 피크 강도 분석을 통해, 초기 Ag 증착 두께에 관계없이 삽입된 Ag 두께를 추정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 그래핀 단일층 아래에 Ag가 삽입되는 데 최적의 소성 온도 범위는 무엇이며, 이는 시스템의 열화를 유발하지 않는가?
• RQ2 몇 밀리미터의 Ag(단일층 기준)가 그래핀 단일층 아래에 삽입되며, 이는 초기 Ag 두께에 의존하는가?
• RQ3 Ag 삽입은 순수한 MG/Ni(111) 시스템에 비해 그래핀 단일층의 밴드 전자 구조에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 Ag 삽입 후 그래핀-Ni(111) 상호작용의 성격은 어떠하며, 이는 전자 분산 및 하이브리드화에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• Ag가 그래핀 단일층 아래로 삽입되는 데 최적의 온도 범위는 350–450 °C이며, 500 °C 이상에서는 시스템의 열화가 시작된다.
• 그래핀 기반 π 상태는 약 1.5–2 eV 감소하고, σ 상태는 0.5–1 eV 감소하여, Ni(111) 기초와의 상호작용 감소를 나타낸다.
• 초기 Ag 두께(3–100 Å)에 관계없이 약 1–2 단일층의 Ag가 그래핀 단일층 아래로 삽입된다.
• 관찰된 밴드 에너지 이동은 그래핀과 Ni(111) 사이의 π–d 하이브리드화가 약화되었기 때문이며, 삽입 후에도 잔류 궤도 혼합이 유지된다.
• 25° 이상의 극성 각도(또는 k|| > 1.4 Å⁻¹)에서 ARPES 스펙트럼의 π 상태 분할은 삽입 후 그래핀 단일층에서 도메인의 오리엔테이션 불일치 또는 이방성 전자 반응을 시사한다.
• LEED 패atters는 (1×1) 정육각형 구조를 보이며, 15° 회전된 스트립이 약하게 나타나, Ni(111) 기초에 비해 약간의 오리엔테이션 불일치를 보이는 순서가 잘 잡힌 그래핀 유사 도메인을 나타낸다.