[논문 리뷰] Electronic transport properties of Ir-decorated graphene

Yilin Wang, Shudong Xiao외 4명|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 09.

Graphene research and applications참고 문헌 32인용 수 15

한 줄 요약

이 연구는 이리듐으로 코팅된 그래핀에서의 전자적 운반성질을 조사하며, 저온에서 Ir 원자가 약 100원자로 이루어진 클러스터를 형성하고, 각각 그래핀에 전자를 한 개 기부하며 전하 불순물 산산이 되어 흩어짐을 일으킴을 밝혀냈다. 강한 스핀-오비트 결합으로 인해 이론적으로 큰 토폴로지 갭이 예측되었으나, 실제로는 관측되지 않았으며, 이는 토폴로지 상태를 억제하는 클러스터에 의한 비균일성 때문일 것으로 여겨진다.

ABSTRACT

Graphene decorated with 5d transitional metal atoms is predicted to exhibit many intriguing properties; for example iridium adatoms are proposed to induce a substantial topological gap in graphene. We extensively investigated the conductivity of single-layer graphene decorated with iridium deposited in ultra-high vacuum at low temperature (7 K) as a function of Ir concentration, carrier density, temperature, and annealing conditions. Our results are consistent with the formation of Ir clusters of ~100 atoms at low temperature, with each cluster donating a single electronic charge to graphene. Annealing graphene increases the cluster size, reducing the doping and increasing the mobility. We do not observe any sign of an energy gap induced by spin-orbit coupling, possibly due to the clustering of Ir.

연구 동기 및 목표

• 초고진공 및 저온 조건에서 Ir로 코팅된 그래핀의 전자적 운반성질을 실험적으로 탐구하기 위해.
• 이론적으로 예측된 강한 스핀-오비트 결합에 의해 Ir 표면 원자가 토폴로지 갭을 유도하는지 확인하기 위해.
• 그래핀에서의 운반자 이동도와 도핑에 영향을 주는 Ir 클러스터 형성과 안내열 처리의 역할을 조사하기 위해.
• Ir 클러스터 형성이 양자 스핀 홀 효과 또는 양자 비정상 홀 효과의 잠재적 실현에 미치는 영향을 이해하기 위해.

제안 방법

• 이리듐을 초고진공에서 7 K에서 전자빔 증착을 통해 코팅하여 피복도를 제어하였다.
• 저주파수(3.7 Hz)의 사위지 기반 락인 기술을 사용하여 게이트 전압(Vg)에 따른 전도도(σ(Vg))를 측정하였다.
• 전하 불순물 산산을 포함한 이중 밴드 모델에 σ(Vg)를 피팅하여 이동도와 잔류 전도도를 추출하였다.
• 클러스터 성장과 도핑 및 이동도에 미치는 영향을 연구하기 위해 안내열 실험을 수행하였다.
• 열활성화 또는 로그적 행동을 통해 밴드 갭을 탐색하기 위해 온도 의존성 저항도를 측정하였다.
• Z = 1 전하 불순물에 대한 이론 모델과 칼륨 도핑된 그래핀의 실험 결과를 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강화된 스핀-오비트 결합으로 인해 그래핀에 이리듐 코팅이 토폴로지 갭을 유도하는가?
• RQ2 그래핀 내에서 이리듐 클러스터는 피복도와 온도에 따라 어떻게 형성되고 진화하는가?
• RQ3 이리듐 클러스터가 전하 불순물로 작용하는 정도는 어느 정도이며, 크기가 도핑과 이동도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 왜 이론적으로 예측된 300 meV의 토폴로지 갭이 실험적으로 관측되지 않는가?

주요 결과

• 7 K에서 Ir 표면 원자가 약 100원자로 이루어진 클러스터를 형성하며, 각각 그래핀에 약 1개의 전자를 기부하여 Z ≈ 1 전하 불순물 산산과 일치하는 것으로 나타났다.
• Ir 피복도가 증가함에 따라 전자 및 정공 이동도가 감소하며, 매트헤센의 규칙에 따라 산산 상수 C ≈ 7×10^17 V⁻¹s⁻¹(전자) 및 9×10^17 V⁻¹s⁻¹(정공)을 따른다.
• 350 K로 안내열 처리 시 클러스터 크기가 증가하고, 도핑이 감소함(ΔVg,min이 0으로 다시 이동)하며, 이동도는 약 7000에서 약 6000 cm²/Vs로 증가하여 산산 효율이 감소함을 나타낸다.
• 측정 가능한 밴드 갭은 관측되지 않으며, 저온에서 저항도가 로그적으로 증가함을 확인하여 열활성화 갭과 부합하지 않으며, 약한 국소화 또는 질서 효과를 시사한다.
• 토폴로지 갭을 관측하지 못한 이유는 Ir 클러스터 형성이 전역적 토폴로지 갭을 요구하는 균일한 스핀-오비트 결합을 방해하기 때문으로 기인된다.
• 고피복도(>1.2 ML)에서는 Vg,min이 복귀하고 저항도가 증가하여, 단순한 전하 불순물 산산을 초월한 짧은 거리 또는 필름형 질서에 의해 지배되는 영역으로의 전이를 나타낸다.