[论文解读] 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 2

一句话总结

本研究证明，钙原子在石墨烯-碳化硅界面的插层可诱导准自由悬浮双层石墨烯（QFSBLG）中从AB堆叠向AA堆叠的自发转变，形成高度n型掺杂、准自由悬浮的体系，其电子结构与AA堆叠双层石墨烯高度一致。该转变通过ARPES和DFT得到证实，显示顶层具有狄拉克型、无带隙的能带结构，而底层则表现出0.2 eV的带隙。

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.

研究动机与目标

• 研究钙原子插层对SiC上准自由悬浮双层石墨烯（QFSBLG）的结构与电子效应。
• 确定钙原子插层是否诱导QFSBLG中从AB堆叠向AA堆叠双层石墨烯的堆叠转变。
• 阐明插层位置及其对掺杂与电子结构的影响。
• 建立所得Ca-QFSBLG体系的稳定性和电子性质。

提出的方法

• 利用低能电子衍射（LEED）在插层前确认表面结构与洁净度。
• 利用角分辨光电子能谱（ARPES）以高动量和能量分辨率测量Ca-QFSBLG的电子能带结构。
• 采用密度泛函理论（DFT）计算模拟插层能并预测AA与AB堆叠构型的能带结构。
• 采用DFT-D2和DFT-D3泛函以考虑插层体系中的范德华相互作用。
• 计算展开的能带结构，以分离顶层和底层石墨烯层的贡献。
• 通过实验ARPES数据与DFT预测能带结构的对比分析，确定主导的堆叠构型。

实验结果

研究问题

• RQ1 钙原子在石墨烯-SiC界面的插层是否在QFSBLG中诱导从AB堆叠向AA堆叠双层石墨烯的堆叠转变？
• RQ2 钙在插层体系中的位置在哪里——位于石墨烯层之间还是SiC界面处？
• RQ3 钙原子插层如何影响QFSBLG中的掺杂水平与载流子浓度？
• RQ4 Ca-QFSBLG的电子能带结构是什么？与AA和AB堆叠构型的理论预测相比如何？
• RQ5 AA堆叠相在该体系中是否具有足够的能量优势以保持稳定？

主要发现

• 钙原子插层仅发生在石墨烯-SiC界面，完全取代了缓冲层中的氢原子。
• 体系从p型掺杂转变为n型掺杂，载流子浓度从5.17 × 10¹² cm⁻²增加至1.37 × 10¹⁴ cm⁻²。
• ARPES数据显示顶层石墨烯呈现无带隙的狄拉克锥，与单层石墨烯行为一致。
• 底层石墨烯在费米能级以下1.05 eV处表现出0.2 eV的带隙，与AA堆叠双层石墨烯的理论预测相符。
• DFT计算证实，AA堆叠构型比AB堆叠构型更符合实验ARPES数据。
• AA与AB堆叠之间的形成能差较小（0.04–0.15 eV），表明AA堆叠是该体系中可能且稳定的相。