[論文レビュー] Quasi-free-standing AA-stacked bilayer graphene induced by calcium intercalation of the graphene-silicon carbide interface

Antonija Grubišić‐Čabo, Jimmy C. Kotsakidis+12 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Graphene research and applications参考文献 52被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、カーボンナイトと炭化ケイ素の界面におけるカルシウムの間隙挿入が、準自由飛翔二層グラフェン（QFSBLG）においてABスタッキングからAAスタッキングへの自発的転移を誘発することを示している。その結果、電子的構造がAAスタッキング二層グラフェンに極めて近い、高濃度n型ドーピングを示す準自由飛翔系が得られた。この転移はARPESおよびDFTによって確認され、表面層にディラック型でギャップのないバンド構造が観測され、底面層には0.2 eVのバンドギャップが確認された。

ABSTRACT

We study quasi-freestanding bilayer graphene on silicon carbide intercalated by calcium. The intercalation, and subsequent changes to the system, were investigated by low-energy electron diffraction, angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) and density-functional theory (DFT). Calcium is found to intercalate only at the graphene-SiC interface, completely displacing the hydrogen terminating SiC. As a consequence, the system becomes highly n-doped. Comparison to DFT calculations shows that the band dispersion, as determined by ARPES, deviates from the band structure expected for Bernal-stacked bilayer graphene. Instead, the electronic structure closely matches AA-stacked bilayer graphene on Ca-terminated SiC, indicating a spontaneous transition from AB- to AA-stacked bilayer graphene following calcium intercalation of the underlying graphene-SiC interface.

研究の動機と目的

• SiC上に形成された準自由飛翔二層グラフェン（QFSBLG）におけるカルシウムの間隙挿入が及ぼす構造的および電子的効果を調査すること。
• カルシウムの間隙挿入が、ABスタッキングからAAスタッキングへのスタッキング転移を誘発するかどうかを特定すること。
• 間隙挿入部位とそのドーピングおよび電子的構造に与える影響を明確にすること。
• 得られたCa-QFSBLG系の安定性および電子的性質を確立すること。

提案手法

• 間隙挿入の前段階で、表面構造および清浄度の確認のため、低エネルギー電子回折（LEED）が用いられた。
• 角度分解光電子分光法（ARPES）を用いて、Ca-QFSBLGの電子的バンド構造を高い運動量およびエネルギー分解能で測定した。
• DFT計算を実施し、間隙挿入エネルギーをモデル化し、AAスタッキングおよびABスタッキング構成のバンド構造を予測した。
• 間隙挿入系におけるファンデルワールス相互作用を考慮するため、DFT-D2およびDFT-D3関数を用いた。
• 上層および下層グラフェン層からの寄与を分離するために、アンフォールドバンド構造が計算された。
• 実験的ARPESデータとDFT予測バンド構造の比較分析により、支配的スターリング構成が同定された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラフェン-SiC界面におけるカルシウムの間隙挿入は、QFSBLGにおいてABスタッキングからAAスタッキングへのスターリング転移を誘発するか？
• RQ2 間隙挿入系におけるカルシウムは、グラフェン層間か、SiC界面に位置するか？
• RQ3 カルシウムの間隙挿入は、QFSBLGのドーピングレベルおよびキャリア濃度にどのように影響を及ぼすか？
• RQ4 Ca-QFSBLGの電子的バンド構造は何か？ また、AAスタッキングおよびABスタッキング構成の理論的予測と比較するとどうなるか？
• RQ5 AAスタッキング相は、この系において十分にエネルギー的に安定であると見なせるか？

主な発見

• カルシウムの間隙挿入は、グラフェン-SiC界面にのみ発生し、バッファ層に存在する水素を完全に置換した。
• ドーピング状態はp型からn型に変化し、キャリア濃度は5.17 × 10¹² cm⁻²から1.37 × 10¹⁴ cm⁻²に増加した。
• ARPESデータは、表面層にギャップのないディラックコーンが観測され、単層グラフェンに類似した挙動を示した。
• 底面層には、フェルミ準位から1.05 eV下で0.2 eVのバンドギャップが観測され、AAスタッキング二層グラフェンの理論的予測と一致した。
• DFT計算により、AAスタッキング構成が実験的ARPESデータとABスタッキング構成よりも良好に一致することが確認された。
• AAスタッキングとABスタッキングの形成エネルギー差は小さく（0.04–0.15 eV）、AAスタッキングがこの系において現実的で安定な相であることが示された。