[论文解读] Rotational domains of graphene on Ir(111)

Elena Loginova, Shu Nie+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 8, 2009

Graphene research and applications被引用 3

一句话总结

本研究利用LEEM、LEED和STM识别出石墨烯在Ir(111)表面上的三个新旋转结构域，其错向角分别为约14°、18.5°和30°。对30°旋转结构进一步通过STM进行分析，并提出了原子模型；冷却过程中形成的线性缺陷被识别为石墨烯脊，源于局部从基底收缩引起的剥离。

ABSTRACT

We use low-energy electron microscopy (LEEM), low energy electron diffraction (LEED) and scanning tunneling microscopy (STM) to study four different orientations of single graphene sheets on Ir(111). The most-abundant orientation has been previously characterized in the literature. As measured using selective-area LEED, we find the graphene sheets in the other three variants to be rotated by approximately 14, 18.5 and 30 degrees, respectively. The 30-degree-rotated structure is also studied by STM. We propose atomic models for the new variants. The moire structures can be classified using simple geometric rules involving the different periodic and quasiperiodic structural motifs. In addition, LEEM reveals that linear defects form in the graphene sheets during cooling from the synthesis temperature. STM shows that the defects are ridges where the graphene sheets locally delaminate as the Ir substrate contracts.

研究动机与目标

• 识别并表征单层石墨烯在Ir(111)上此前未报道的旋转取向。
• 理解石墨烯-基底晶格失配所形成的结构基元与莫尔条纹图案。
• 研究在从生长温度冷却过程中观察到的线性缺陷的成因与本质。
• 基于几何与衍射分析，为新识别的旋转变体构建原子模型。

提出的方法

• 采用低能电子显微镜（LEEM）对大面积石墨烯结构域成像，并检测线性缺陷。
• 应用选区低能电子衍射（LEED）测量石墨烯与Ir(111)基底之间的旋转角度。
• 利用扫描隧道显微镜（STM）解析30°旋转石墨烯变体的原子尺度结构。
• 通过关联周期性与准周期性结构基元的几何规则分析莫尔条纹图案。
• 将冷却过程中的结构演化与缺陷形成相关联，特别是脊状特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 在三个新观测到的结构域中，石墨烯相对于Ir(111)的旋转错向角是多少？
• RQ2 这些旋转结构域中的莫尔超结构如何与底层晶格周期性相关联？
• RQ3 在从生长温度冷却过程中，石墨烯中线性缺陷的形成原因是什么？
• RQ4 能否基于几何与衍射分析构建原子模型以解释观测到的旋转变体及其界面结构？
• RQ5 Ir基底的热收缩如何导致石墨烯剥离及缺陷形貌的形成？

主要发现

• 在Ir(111)上识别出三个新的石墨烯旋转结构域，其相对于基底的错向角分别为约14°、18.5°和30°。
• 通过STM对30°旋转石墨烯结构成像，揭示了与所提原子模型一致的复杂莫尔条纹图案。
• LEED分析以高精度确认了旋转角度，支持了新变体的分类。
• LEEM揭示了冷却过程中形成的线性缺陷，后续通过STM确认其为局部石墨烯剥离形成的脊状结构。
• 这些缺陷归因于Ir(111)与石墨烯之间热收缩率不同，导致界面处局部抬升并形成脊状结构。
• 基于周期性与准周期性晶格匹配的几何规则，成功对莫尔结构进行了分类。