[论文解读] Electronic quality of graphene on different atomically flat substrates

Andrey V. Kretinin, Yan Cao+19 more|arXiv (Cornell University)|Mar 20, 2014

Semiconductor materials and interfaces参考文献 1被引用 1

一句话总结

本研究探究了高品質石墨烯異質結構的替代原子級平坦基底，發現二硫化鉬（MoS₂）與二硫化鎢（WS₂）可實現約 60,000 cm²V⁻¹s⁻¹ 的載流子遷移率——與六方氮化硼相當——這是因為界面具有自潔特性。相比之下，雲母與鉍鋇鈣銅氧化物（BSCCO）等層狀氧化物僅實現約 1,000 cm²V⁻¹s⁻¹ 的遷移率，顯示界面品質較差，原因在於缺乏自潔機制。

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.

研究动机与目标

• 識別除六方氮化硼外，能支援高遷移率石墨烯器件的替代原子級平坦基底。
• 理解界面自潔在決定石墨烯異質結構電子品質中的作用。
• 比較石墨烯在過渡金屬二硫属化物（TMDs）與層狀氧化物之間的載流子遷移率表現。
• 釐清為何某些基底能形成高品質界面，而其他基底即使同樣原子級平坦卻不能，其原因所在。

提出的方法

• 透過將石墨烯封裝於二硫化鉬（MoS₂）、二硫化鎢（WS₂）與六方氮化硼（hBN）中，製備石墨烯異質結構。
• 準備並測試了在原子級平坦層狀氧化物（包括雲母、鉍鋇鈣銅氧化物（BSCCO）與五氧化二釩）上的石墨烯器件。
• 以室溫載流子遷移率為主要指標，評估石墨烯器件的電子品質。
• 分析界面相互作用，評估石墨烯-基底界面是否存在自潔機制。
• 比較不同基底間的遷移率趨勢，推論表面污染與界面重組的影響。

实验结果

研究问题

• RQ1 除六方氮化硼外，其他基底是否能支援具微米級彈道傳輸的高遷移率石墨烯器件？
• RQ2 為何二硫化鉬（MoS₂）與二硫化鎢（WS₂）等過渡金屬二硫屬化物可實現石墨烯異質結構中的高載流子遷移率，而層狀氧化物則不能？
• RQ3 界面自潔在多大程度上影響不同基底上石墨烯的電子品質？
• RQ4 表面污染與界面重組在決定封裝石墨烯器件性能中扮演何種角色？

主要发现

• 以二硫化鉬（MoS₂）與二硫化鎢（WS₂）封裝的石墨烯器件，其載流子遷移率達到約 60,000 cm²V⁻¹s⁻¹。
• 此遷移率與石墨烯/hBN 異質結構中所觀察到的相當，顯示電子品質優異。
• 相反，石墨烯在雲母、鉍鋇鈣銅氧化物（BSCCO）與五氧化二釩等層狀氧化物上的遷移率僅約 1,000 cm²V⁻¹s⁻¹。
• 氧化物基底上遷移率偏低，歸因於界面缺乏自潔，導致表面污染物持續存在。
• 在石墨烯/TMD 與石墨烯/hBN 系統中觀察到自潔現象，其中表面污染物聚集形成微區，使其他區域界面保持原子級清潔。
• 氧化物基底缺乏自潔機制，導致無法形成高品質、低散射的界面，嚴重劣化電子性能。