[論文レビュー] Assembling Di- and Multiatomic Si Clusters in Graphene via Electron Beam Manipulation

Ondrej Dyck, Songkil Kim+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2017

Graphene research and applications参考文献 62被引用数 50

ひとこと要約

本論文は、走査透過電子顕微鏡（STEM）を用いてサブ原子レベルに焦点を絞った電子ビームを使い、シリコン置換とクラスター形成を誘導・制御し、グラフェン上にジ二量体・三量体・四量体のシリコンクラスターを組み立て、時間分解原子スケールのイメージングを実現している。

ABSTRACT

We demonstrate assembly of di-, tri- and tetrameric Si clusters on the graphene surface using sub-atomically focused electron beam of a scanning transmission electron microscope. Here, an electron beam is used to introduce Si substitutional defects and defect clusters in graphene with spatial control of a few nanometers, and enable controlled motion of Si atoms. The Si substitutional defects are then further manipulated to form dimers, trimers and more complex structures. The dynamics of a beam induced atomic scale chemical process is captured in a time-series of images at atomic resolution. These studies suggest that control of the e-beam induced local processes offers the next step toward atom-by-atom nanofabrication and provides an enabling tool for study of atomic scale chemistry in 2D materials.

研究の動機と目的

• 2D材料のナノスケール工学へ向けた道筋として、グラフェン上のシリコン欠陥とクラスターの原子レベル制御を動機づける。
• サブ原子レベルに焦点を合わせた電子ビームが、ナノメートル精度でSi置換欠陥と欠陥クラスターを作成できることを示す。
• Si原子の制御された運動と、二量体・三量体およびより大きなSi構造の形成を実証する。
• ビーム誘起過程の時系列・原子分解能イメージングを提供し、操作プロトコルを検証する。

提案手法

• 走査透過電子顕微鏡でサブ原子レベルに焦点を合わせた電子ビームを用いて、グラフェンにナノメートルスケールの空間制御でSi置換欠陥と欠陥クラスターを導入する。
• Si置換欠陥を操作して、グラフェン表面にジ二量体・三量体・四量体のSiクラスターを組み立てる。
• ビーム誘起の原子スケール化学過程のダイナミクスを、原子分解能の時系列画像として捉える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 サブ原子レベルに焦点を合わせた電子ビームは、グラフェンにおけるSi置換欠陥の形成を誘発・制御できるか。
• RQ2 電子ビーム操作を用いて、グラフェン上により大きなSiクラスター（ジ二量体・三量体・四量体）をナノメートル精度で組み立てることは可能か。
• RQ3 グラフェン上のSi原子の制御運動と組み立てを可能にするビーム誘起ダイナミクスの特性は何か。

主な発見

• Si置換欠陥と欠陥クラスターを、ナノメートルスケールの空間制御でグラフェンに導入できる。
• Si原子はグラフェン上でジ二量体・三量体・より複雑なSiクラスター構造を形成するように移動させることができる。
• 時間系列・原子分解能イメージングは、クラスター組立を導くビーム誘起化学過程のダイナミクスを捉える。
• 結果は、電子ビーム誘起の局所過程が、2D材料における原子ごとのナノファブリケーションを可能にすることを示唆している。