[论文解读] Graphene on Rh(111): STM and AFM studies

Elena Voloshina, Yu. S. Dedkov+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2012

Graphene research and applications参考文献 37被引用 68

一句话总结

本研究结合DFT-D2计算与扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM），研究了石墨烯/Rh(111)莫尔超晶格，发现STM对比度与偏置电压极性无关，而AFM对比度强烈依赖于探针频率漂移。关键发现是，在较高频率漂移下实现原子级分辨的AFM成像可清晰分辨ATOP位点的单个碳原子，展示了AFM在探测二维异质结构中化学与电子对比方面的独特能力。

ABSTRACT

The electronic and crystallographic structure of the graphene/Rh(111) moiré lattice is studied via combination of density-functional theory calculations and scanning tunneling and atomic force microscopy (STM and AFM). Whereas the principal contrast between hills and valleys observed in STM does not depend on the sign of applied bias voltage, the contrast in atomically resolved AFM images strongly depends on the frequency shift of the oscillating AFM tip. The obtained results demonstrate the perspectives of application atomic force microscopy/spectroscopy for the probing of the chemical contrast at the surface.

研究动机与目标

• 通过实验与理论方法相结合，理解石墨烯/Rh(111)莫尔超晶格的电子与晶体结构。
• 研究扫描隧道显微镜（STM）与原子力显微镜（AFM）对石墨烯/Rh(111)表面不同吸附位点（ATOP、HCP、FCC、BRIDGE）的响应行为。
• 确定成像条件（特别是探针频率漂移）对AFM对比度与分辨率的影响。
• 评估AFM/谱学技术在探测二维范德华异质结构中化学与电子非均质性的潜力。
• 通过包含范德华修正的DFT-D2计算验证实验AFM与STM结果。

提出的方法

• 采用投影缀加波方法与PBE-GGA交换关联泛函，在VASP中进行DFT-D2计算，平面波截断能为400 eV，采用DFT-D2处理范德华相互作用。
• 使用(11×11)超胞结构，包含一个12×12的石墨烯层覆盖在四层Rh(111)膜上，真空层厚度为18 Å，并应用偶极校正以避免晶胞间相互作用。
• 基于Tersoff-Hamann形式化方法，采用点状探针近似计算STM图像。
• 在室温下于超高真空环境中使用W探针采集实验STM与AFM数据，通过原位Ar+离子溅射清洁探针。
• 采用谐振传感器进行AFM测量，中心频率f₀ = 1,001,541 Hz，振幅A = 300 pm，反馈基于频率漂移Δf(z)。
• 将实验AFM对比度与力谱曲线及DFT计算的位点投影电子结构进行关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 石墨烯/Rh(111)的STM对比度如何随所加偏置电压极性变化？
• RQ2 在石墨烯/Rh(111)的原子级分辨AFM成像中，频率漂移依赖的对比度由何引起？
• RQ3 AFM能否分辨石墨烯/Rh(111)表面的不同原子位点（ATOP、HCP、FCC、BRIDGE）？其分辨能力如何受成像条件影响？
• RQ4 石墨烯在不同吸附位点的电子结构在多大程度上影响观测到的AFM与STM对比度？
• RQ5 AFM能否探测二维异质结构中的化学对比？其在分辨局部电子与结构差异方面与STM相比如何？

主要发现

• 石墨烯/Rh(111)中丘陵与谷地之间的STM对比度与所加偏置电压极性无关，与DFT预测一致。
• AFM成像对比度强烈依赖于振荡探针的频率漂移，较高频率漂移可提升分辨率与对比度。
• 在高频率漂移下实现的原子级分辨AFM图像可清晰区分ATOP、HCP、FCC与BRIDGE位点，且ATOP位点的每个石墨烯晶胞中的碳原子均清晰可见。
• BRIDGE位点表现出最强的吸引力与最短的平衡探针-样品距离，解释了其在AFM中呈现高对比度的原因。
• ATOP位点的观测对比度与石墨烯和Rh(111)之间微弱的杂化作用相关，其电子结构类似于自由悬浮石墨烯。
• DFT-D2计算证实，ATOP位点的碳原子投影部分态密度与自由悬浮石墨烯高度一致，支持了观测到的分辨能力。