[论文解读] Spatial corrugation and bonding of single layer graphene on Rh(111)

Mikhail Fonin, M. Sicot+7 more|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2010

Graphene research and applications被引用 3

一句话总结

本研究调查了在 Rh(111) 上外延生长的单层石墨烯，揭示了一种独特的高度起伏的莫尔超晶格结构，其在超胞的‘桥’位点处具有强化学键合。高分辨率扫描隧道显微镜（STM）和价带光电子能谱证实，石墨烯与 Rh(111) 之间存在显著的轨道杂化，导致 STM 图像中出现明显的下陷区域，且 C 1s 本征能级谱出现 0.44 eV 的分裂，表明存在强烈且空间调制的相互作用，这对设计石墨烯基纳米系统具有重要意义。

ABSTRACT

Topographic scanning tunneling microscopy (STM) images of epitaxial single layer graphene on the Rh(111) surface reveal that extended single crystalline graphene domains are produced without any defects on a large scale. High resolution imaging shows that the moiré structure resulting from the lattice mismatch between the Rh(111) substrate and graphene is highly corrugated, containing regions of an additional spatial modulation in the moiré supercell compared with those previously reported for graphene on Ir(111) or graphene on Ru(0001). These areas, which correspond to the "bridge" regions of the moiré structure appear as depressions in STM images indicating a strong orbital hybridization between the graphene layer and the metallic substrate. Valence-band photoemission confirms the strong hybridization between graphene and Rh(111) which leads to the pronounced corrugation of the graphene layer. Our findings underline the importance of considering substrate effects in epitaxially grown graphene layers for the design of graphene-based nanoscale systems.

研究动机与目标

• 理解外延单层石墨烯在 Rh(111) 上的原子尺度结构与键合特性，该体系介于强键合的石墨烯/Ru(0001) 与弱键合的石墨烯/Ir(111) 之间。
• 探究莫尔超晶格中空间起伏的起源及其与电子杂化的关联。
• 确定基底特异性相互作用如何影响外延石墨烯的电子与几何结构。
• 将石墨烯/Rh(111) 的键合与电子响应特性与其它石墨烯/金属体系（包括石墨烯/Ni(111) 和 h-BN/Rh(111)）进行比较。

提出的方法

• 在室温下于超高真空环境中使用 W 金属针尖进行原位扫描隧道显微镜（STM）测量，采用恒电流模式与样品偏置电压。
• 通过低能电子衍射（LEED）验证石墨烯在 Rh(111) 上的外延层的长程有序性与莫尔周期性。
• 在 BESSY 处利用 PHOIBOS 100 能量分析仪（能量分辨率为 80 meV）进行价带与本征能级光电子能谱（PES）测量。
• 通过丙烯在 900–1100 K 下的热分解法，在预清洁的 Rh(111) 表面外延生长出连续的单晶石墨烯结构。
• 通过 Ar+ 离子溅射、快速退火至约 1500 K 及 O2 退火对表面进行清洁，以确保 Rh(111) 表面洁净。
• 将实验结果与已知体系（如石墨烯/Ru(0001)、石墨烯/Ir(111)、h-BN/Rh(111)）进行比较，突出其独特的键合特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 石墨烯/Rh(111) 中莫尔超胞的原子结构与 Ir(111) 或 Ru(0001) 上的石墨烯相比有何不同？
• RQ2 在石墨烯/Rh(111) 的 STM 图像中观察到的显著空间起伏的起源是什么？
• RQ3 石墨烯与 Rh(111) 之间的轨道杂化在莫尔超胞的不同区域如何变化？
• RQ4 石墨烯/Rh(111) 的电子结构在多大程度上反映了强杂化特性，其证据来自光电子能谱？
• RQ5 为何石墨烯/Rh(111) 在 STM 中表现出明显的对比度变化，尽管其具有金属特性，而 h-BN/Rh(111) 却没有？

主要发现

• 高分辨率 STM 在 Rh(111) 上揭示了一种独特的莫尔超晶格结构，其包含在 Ir(111) 或 Ru(0001) 上石墨烯中未观察到的额外起伏区域。
• 莫尔超胞的‘桥’位点在 STM 图像中表现为下陷区域，表明石墨烯与 Rh(111) 之间存在强轨道杂化。
• C 1s 本征能级 PES 显示 0.44 eV 的能量分裂，较高结合能组分归因于强键合区域（A2、A3、A4），证实了键合强度的空间调制。
• 价带 PES 显示 π 态相对于石墨的位移达 2.3 eV，表明石墨烯 π 轨道与 Rh 4d 态之间存在强杂化。
• 石墨烯/Rh(111) 中未观察到 π/σ 轨道能带分裂，与 h-BN/Rh(111) 不同，表明由于石墨烯的金属性质及较低的起伏效应，其电子响应存在差异。
• 石墨烯/Rh(111) 的键合强度与石墨烯/Ru(0001) 相当，但因莫尔元胞中不同的原子取向，其局部杂化模式更为复杂。