[論文レビュー] Surfactant-Mediated Growth of Twisted Bilayer Graphene on SiC

Yung-Chen Lin, Nafiseh Samiseresht+8 more|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2018

Graphene research and applications被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、SiC基板上にmmスケール、高品質なねじれ二層グラフェンをエpitaxially成長させるためにボラジンを界面活性剤として用いる手法を提案している。この手法により、30°を中心に狭い分布（標準偏差0.46°）を示すねじれ角度が得られ、上層に0.7%の圧縮ひずみが生じ、Moire超格子のN = 12.84であり、他のねじれ角度からの層間 hopping 値と整合的である。

ABSTRACT

We propose a method to grow high-quality twisted bilayer graphene epitaxially on SiC using borazine as a surfactant. With this method, closed layers with a constant orientation with respect to the substrate can be grown over mm-size samples. Using high-resolution electron diffraction, we find a twist angle distribution centered at $30^\circ$ with a standard deviation of $(0.46\pm 0.01)^\circ$, a compression of the top (rotated) graphene layer by 0.7% with respect to the bottom layer, and a $(N imes N)R0^\circ$ Moire unit cell with $N=12.84\pm0.12$ with respect to the top graphene. The interlayer hopping resulting from a comparison of tight binding simulations with angle-resolved photoelectron spectroscopy agrees with values reported for other twist angles.

研究の動機と目的

• SiC基板上に高品質なねじれ二層グラフェンをスケーラブルに成長させる方法を開発すること。
• 制御されたねじれ角を有する均一なmmスケールの二層グラフェンを実現すること。
• 界面活性剤補助エpitaxial成長により層間結合を精密に制御すること。
• 得られた二層グラフェンのねじれ角度分布、ひずみ、Moire超格子構造を特徴づけること。
• タイトバインディング理論と光電子効果データとの比較を通じて、層間 hopping 強度を検証すること。

提案手法

• ボラジンを6H-SiC(0001)基板上でのグラフェンエpitaxial成長過程で界面活性剤として用いる。
• 制御された環境下での高溫アニールにより、密着で連続的な二層グラフェン層の形成が促進される。
• 高分解能回折（HRED）を用いてねじれ角度分布およびMoire超格子周期を測定する。
• 上層グラフェンのひずみは、下層と比較した格子定数の差異をもとに定量的に評価する。
• 角度分解光電子分光法（ARPES）を用いて電子バンド構造を測定し、層間 hopping を推定する。
• ARPESデータにフィットするタイトバインディングシミュレーションを実施し、層間 hopping パラメータを抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ボラジン界面活性剤は、SiC上にmmスケール、高品質なねじれ二層グラフェンの成長を可能にするか？
• RQ2 この手法で成長した二層グラフェンにおけるねじれ角度の分布はいかなるものか？
• RQ3 上層グラフェンのひずみは下層と比較してどの程度か？
• RQ4 ねじれ二層グラフェンに形成されたMoire超格子の周期は何か？
• RQ5 30°のねじれ角に対して、層間 hopping 強度は理論的予測と整合的か？

主な発見

• ねじれ角度分布は30°を中心に、標準偏差0.46°という狭い分布を示しており、均一性が非常に高いことが示された。
• 上層グラフェンは下層に対して0.7%の圧縮ひずみを示した。
• Moire超格子は(N × N)R0°の単位胞を有し、N = 12.84 ± 0.12であり、明確な周期性が確認された。
• ARPESとタイトバインディングシミュレーションから得られた層間 hopping 強度は、他のねじれ角度で報告された値と一致した。
• 本手法により、一様なねじれ角とひずみ特性を有する連続的でmmスケールの二層グラフェンが成長可能となった。
• 高分解能電子回折により、ねじれ二層グラフェンの構造的正確性および長距離秩序が確認された。