[论文解读] Surfactant-Mediated Growth of Twisted Bilayer Graphene on SiC

Yung-Chen Lin, Nafiseh Samiseresht+8 more|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2018

Graphene research and applications被引用 5

一句话总结

该论文提出使用硼嗪作为表面活性剂，在SiC衬底上外延生长毫米级、高质量的扭曲双层石墨烯。该方法获得的扭转角分布以30°为中心，分布范围狭窄（标准偏差0.46°），顶层存在0.7%的压应力，且莫尔超晶格的N = 12.84，与其它扭转角下的层间跃迁值一致。

ABSTRACT

We propose a method to grow high-quality twisted bilayer graphene epitaxially on SiC using borazine as a surfactant. With this method, closed layers with a constant orientation with respect to the substrate can be grown over mm-size samples. Using high-resolution electron diffraction, we find a twist angle distribution centered at $30^\circ$ with a standard deviation of $(0.46\pm 0.01)^\circ$, a compression of the top (rotated) graphene layer by 0.7% with respect to the bottom layer, and a $(N imes N)R0^\circ$ Moire unit cell with $N=12.84\pm0.12$ with respect to the top graphene. The interlayer hopping resulting from a comparison of tight binding simulations with angle-resolved photoelectron spectroscopy agrees with values reported for other twist angles.

研究动机与目标

• 开发一种在SiC衬底上生长高质量扭曲双层石墨烯的可扩展方法。
• 实现具有可控扭转角的均匀毫米级双层石墨烯。
• 通过表面活性剂辅助外延生长实现对层间耦合的精确控制。
• 表征所得双层石墨烯的扭转角分布、应变及莫尔超晶格结构。
• 通过与紧束缚模型和光电子能谱数据对比，验证层间跃迁强度。

提出的方法

• 在6H-SiC(0001)衬底上进行石墨烯外延生长时使用硼嗪作为表面活性剂。
• 在受控环境中进行高温退火，促进形成闭合、连续的双层石墨烯层。
• 采用高分辨电子衍射（HRED）测量扭转角分布及莫尔超晶格周期性。
• 通过对比顶层与底层的晶格参数，量化顶层石墨烯中的应变。
• 采用角分辨光电子能谱（ARPES）测量电子能带结构，以推断层间跃迁。
• 将紧束缚模拟拟合至ARPES数据，提取层间跃迁参数。

实验结果

研究问题

• RQ1 硼嗪表面活性剂能否实现毫米级、高质量扭曲双层石墨烯在SiC上的生长？
• RQ2 采用该方法生长的双层石墨烯中扭转角的分布如何？
• RQ3 顶层石墨烯的应变与底层相比如何？
• RQ4 扭曲双层石墨烯中形成的莫尔超晶格的周期性是什么？
• RQ5 层间跃迁强度是否与30°扭转角的理论预期一致？

主要发现

• 扭转角分布以30°为中心，标准偏差仅为0.46°，表明具有高度均匀性。
• 顶层石墨烯相对于底层表现出0.7%的压缩应变。
• 莫尔超晶格具有(N × N)R0°单位胞，N = 12.84 ± 0.12，表明具有明确的周期性。
• 从ARPES和紧束缚模拟测得的层间跃迁强度与其它扭转角下报道的数值一致。
• 该方法可实现连续、毫米级的双层石墨烯，具有稳定的扭转角和应变特性。
• 高分辨电子衍射证实了扭曲双层石墨烯的结构保真度及长程有序性。