[논문 리뷰] Spatial corrugation and bonding of single layer graphene on Rh(111)

Mikhail Fonin, M. Sicot외 7명|arXiv (Cornell University)|2010. 10. 07.

Graphene research and applications인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 Rh(111) 위에 에pitaxial 단일층 그래핀의 구조를 조사하여, 초현실적인 모리에 구조를 형성하는 고도로 파고든 초세밀한 구조를 규명하였으며, 이는 초세밀한 '브릿지' 영역에서 강한 결합을 나타낸다. 고해상도 STM 및 최외각 광전자 방출 실험을 통해 그래핀과 Rh(111) 사이의 두드러진 오비탈 혼성화가 확인되었으며, 이는 STM 영상에서 명확한 함몰 영역과 C 1s 핵심 준위 스펙트럼에서 0.44 eV의 분리로 나타나며, 그래핀 기반 나노시스템 설계에 있어 강력하고 공간적으로 조절된 상호작용의 중요성을 입증한다.

ABSTRACT

Topographic scanning tunneling microscopy (STM) images of epitaxial single layer graphene on the Rh(111) surface reveal that extended single crystalline graphene domains are produced without any defects on a large scale. High resolution imaging shows that the moiré structure resulting from the lattice mismatch between the Rh(111) substrate and graphene is highly corrugated, containing regions of an additional spatial modulation in the moiré supercell compared with those previously reported for graphene on Ir(111) or graphene on Ru(0001). These areas, which correspond to the "bridge" regions of the moiré structure appear as depressions in STM images indicating a strong orbital hybridization between the graphene layer and the metallic substrate. Valence-band photoemission confirms the strong hybridization between graphene and Rh(111) which leads to the pronounced corrugation of the graphene layer. Our findings underline the importance of considering substrate effects in epitaxially grown graphene layers for the design of graphene-based nanoscale systems.

연구 동기 및 목표

• 에피택셜 단일층 그래핀의 원자 척도에서의 구조 및 결합 특성을 이해하기 위해, 강한 결합 그래핀/Ru(0001)와 약한 결합 그래핀/Ir(111) 사이의 중간 상태인 Rh(111) 기반 시스템을 대상으로 한다.
• 모리에 초세밀 구조에서 관찰되는 공간적 파고듦의 기원과 전자 혼성화와의 상관관계를 조사한다.
• 기질 특유의 상호작용이 에피택셜 그래핀의 전자적 및 기하학적 구조에 미치는 영향을 규명한다.
• 그래핀/Ni(111) 및 h-BN/Rh(111)와 같은 다른 그래핀/금속 시스템과 비교하여 그래핀/Rh(111)의 결합 및 전자적 반응을 분석한다.

제안 방법

• 고진공 상태에서 실온에서 W 피크를 사용한 현장 내 스캐닝 턨널링 현미경(STM)을 수행하였으며, 일정 전류 모드와 표본 기반 전압을 적용하였다.
• 그래핀 오버레이의 장거리 질서와 모리에 주기성을 확인하기 위해 저에너지 전자 衍射(LEED)을 실시하였다.
• BESSY에서 PHOIBOS 100 에너지 분석기를 사용하여 80 meV의 에너지 해상도로 최외각 및 핵심 준위 광전자 방출 분석(PES)을 수행하였다.
• 사전 청소된 Rh(111) 표면에 프로펜의 열분해를 통해 900–1100 K에서 연속적이고 단일결정의 그래핀 영역을 형성하였다.
• 청결한 Rh(111) 표면을 확보하기 위해 Ar+ 스파터링, 약 1500 K의 플래시 앤일링, O2 앤일링을 수행하였다.
• 기존의 시스템(예: 그래핀/Ru(0001), 그래핀/Ir(111), h-BN/Rh(111))과의 비교를 통해 고유한 결합 특성을 부각시켰다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 그래핀/Rh(111)의 모리에 초세밀 구조의 원자 구조는 Ir(111) 또는 Ru(0001) 위 그래핀과 어떻게 다를까?
• RQ2 그래핀/Rh(111)의 STM 영상에서 관찰된 두드러진 공간적 파고듦의 기원은 무엇인가?
• RQ3 모리에 초세밀 구조의 다양한 영역에서 그래핀과 Rh(111) 사이의 오비탈 혼성화는 어떻게 변화하는가?
• RQ4 광전자 방출 분석으로부터 보여지는 바와 같이, 그래핀/Rh(111)의 전자 구조는 어느 정도 강한 혼성화를 반영하는가?
• RQ5 h-BN/Rh(111)와 달리, 그래핀/Rh(111)은 금속성임에도 불구하고 STM에서 명확한 대trast 변화를 보이는 이유는 무엇인가?

주요 결과

• 고해상도 STM는 Ir(111) 또는 Ru(0001) 위 그래핀에서 관찰되지 않은 추가적인 파고든 영역을 포함한 고유한 모리에 초세밀 구조를 규명하였다.
• 모리에 초세밀 구조의 '브릿지' 영역은 STM 영상에서 함몰 영역으로 나타나며, 이는 그래핀과 Rh(111) 사이의 강한 오비탈 혼성화를 시사한다.
• C 1s 핵심 준위 PES는 0.44 eV의 에너지 분리를 보이며, 높은 일함 에너지 성분은 강하게 결합된 영역(A2, A3, A4)에 기인하여 공간적으로 조절된 결합 강도를 확인한다.
• 최외각 PES는 균질한 그래핀의 π 상태 대비 2.3 eV의 이동을 보이며, 그래핀의 π 오비탈과 Rh 4d 상태 간의 강한 혼성화를 나타낸다.
• h-BN/Rh(111)와 달리 그래핀/Rh(111)에서는 π/σ 밴드 분리가 관찰되지 않아, 그래핀의 금속성 특성과 낮은 파고듦 효과로 인한 전자적 반응의 차이를 시사한다.
• 그래핀/Rh(111)의 결합 강도는 그래핀/Ru(0001)와 유사하지만, 모리에 단위 세포 내의 이질적인 원자 정렬로 인해 더 복잡한 국소적 혼성화 패턴을 보인다.