[论文解读] The Atomic-scale Growth of Large-Area Monolayer Graphene on Single-Crystal Copper Substrates

Liyun Zhao, Kwang Taeg Rim+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 20, 2010

Graphene research and applications被引用 9

一句话总结

本研究利用超高真空化学气相沉积（UHV-CVD）技术，研究了在单晶铜基底上大面积单层石墨烯的原子尺度生长过程。原子分辨率扫描隧道显微镜（STM）显示，石墨烯在Cu(111)和Cu(100)晶格上呈外延生长，分别在Cu(111)上形成六边形超结构，在Cu(100)上形成线性超结构；由于晶界缺陷较少，Cu(111)上获得了质量最高的薄膜。

ABSTRACT

We study the growth and microscopic structure of large-area graphene monolayers, grown on copper single crystals by chemical vapor deposition (CVD) in ultra-high vacuum (UHV). Using atomic-resolution scanning tunneling microscopy (STM), we find that graphene grows primarily in registry with the underlying copper lattice for both Cu(111) and Cu(100). The graphene has a hexagonal superstructure on Cu(111) with a significant electronic component, whereas it has a linear superstructure on Cu(100). The film quality is limited by grain boundaries, and the best growth is obtained on the Cu(111) surface.

研究动机与目标

• 理解在单晶铜基底上大面积单层石墨烯的原子尺度生长机理。
• 研究石墨烯与底层铜晶格之间的结构与电子性质关系。
• 识别限制薄膜质量的关键因素，特别是晶界形成的影响。
• 比较不同铜晶面取向（特别是Cu(111)与Cu(100)）上的生长行为与薄膜质量。

提出的方法

• 采用超高真空化学气相沉积（UHV-CVD）技术在单晶铜基底上生长单层石墨烯。
• 利用原子分辨率扫描隧道显微镜（STM）在原子尺度上成像石墨烯与铜的界面结构。
• 分析在Cu(111)和Cu(100)表面形成的结构超结构，以确定晶格匹配关系与对称性。
• 测量石墨烯-Cu界面的电子结构，评估基底对石墨烯电子性质的影响。
• 通过缺陷密度与晶界形成情况的评估，比较不同铜取向上的薄膜质量。
• 聚焦于基底晶体学取向在决定石墨烯外延取向与生长动力学中的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 铜基底的原子结构在多大程度上影响石墨烯的外延生长？
• RQ2 当石墨烯在Cu(111)和Cu(100)表面生长时，分别形成何种超结构，其差异的成因是什么？
• RQ3 基底的电子结构在调控石墨烯-基底相互作用中起什么作用？
• RQ4 为何Cu(111)上的薄膜质量优于Cu(100)，其结构因素有哪些？
• RQ5 晶界形成在多大程度上限制了大面积单层石墨烯薄膜的质量？

主要发现

• 石墨烯在Cu(111)和Cu(100)表面均与底层铜晶格保持外延对齐，表明存在强烈的外延匹配。
• 在Cu(111)上，石墨烯形成具有显著电子贡献的六边形超结构，表明存在较强的基底相互作用。
• 在Cu(100)上观察到线性超结构，表明其对称性与相互作用机制与Cu(111)不同。
• 在Cu(111)上获得了质量最高的石墨烯薄膜，缺陷更少，晶界密度更低。
• 晶界被确定为限制薄膜质量的主要因素，即使在大面积单层石墨烯生长中亦如此。
• 石墨烯-基底界面的原子尺度结构与电子性质强烈依赖于铜的晶体取向。