[论文解读] Electronic inhomogeneities in graphene: the role of the substrate interaction and chemical doping

Andrés Castellanos-Gómez, Arramel Arramel+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2012

Graphene research and applications被引用 8

一句话总结

本研究利用扫描探针显微镜，研究了石墨烯因衬底相互作用和化学掺杂而产生的纳米尺度电子不均匀性。结果表明，石墨烯-二氧化硅界面处的带电杂质显著改变了载流子密度，解释了器件间的性能差异；而氢化学吸附和原卟啉物理吸附则诱导了带隙打开，实现了对石墨烯电子性质的化学调控。

ABSTRACT

We probe the local inhomogeneities of the electronic properties of graphene at the nanoscale using scanning probe microscopy techniques. First, we focus on the study of the electronic inhomogeneities caused by the graphene-substrate interaction in graphene samples exfoliated on silicon oxide. We find that charged impurities, present in the graphene-substrate interface, perturb the carrier density significantly and alter the electronic properties of graphene. This finding helps to understand the observed device-to-device variation typically observed in graphene-based electronic devices. Second, we probe the effect of chemical modification in the electronic properties of graphene, grown by chemical vapour deposition on nickel. We find that both the chemisorption of hydrogen and the physisorption of porphyrin molecules strongly depress the conductance at low bias indicating the opening of a bandgap in graphene, paving the way towards the chemical engineering of the electronic properties of graphene.

研究动机与目标

• 理解导致石墨烯在电子应用中器件间性能差异的电子不均匀性的起源。
• 研究衬底相互作用（特别是石墨烯-二氧化硅界面处的带电杂质）对局部电子性质的影响。
• 探讨通过氢化学吸附和原卟啉物理吸附进行化学掺杂如何改变石墨烯的电子结构。
• 评估通过化学方法调控石墨烯能带结构以用于电子器件应用的可行性。

提出的方法

• 采用扫描探针显微镜技术，在石墨烯/二氧化硅衬底上对纳米尺度的局部电子性质进行了表征。
• 分析了石墨烯-衬底界面处带电杂质引起的载流子密度变化。
• 通过氢化学吸附和原卟啉物理吸附对化学气相沉积（CVD）生长的石墨烯进行改性，以探测其电子响应。
• 利用低偏置下的电导率测量检测改性石墨烯中的带隙形成。
• 将电子不均匀性与衬底诱导的电荷涨落及分子吸附效应相关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 石墨烯-二氧化硅界面处的带电杂质如何影响局部载流子密度和电子不均匀性？
• RQ2 衬底相互作用在石墨烯基电子器件中观察到的性能差异中起到了多大程度的作用？
• RQ3 氢化学吸附如何改变CVD生长石墨烯的电子结构？
• RQ4 原卟啉物理吸附对石墨烯的电导率和能带结构有何影响？
• RQ5 是否可以通过化学掺杂在石墨烯中构建带隙以用于电子应用？

主要发现

• 石墨烯-二氧化硅界面处的带电杂质显著扰动了局部载流子密度，是导致石墨烯器件间性能差异的重要原因。
• CVD生长石墨烯上的氢化学吸附在低偏置下强烈抑制电导率，表明带隙的形成。
• 原卟啉分子在石墨烯上的物理吸附同样抑制了低偏置电导率，表明通过分子吸附可有效打开带隙。
• 在氢化和原卟啉改性石墨烯中观察到的电导率抑制现象，证实了通过化学方法调控石墨烯电子性质的潜力。
• 本研究建立了外延石墨烯中衬底诱导的无序与电子不均匀性之间的直接关联，解释了器件性能不一致的原因。