α上の単層グラフェンの原子的に分解された電子物性

Scientific Reports volume 12、記事番号: 18743 (2022) この記事を引用

1147 アクセス

2 引用

メトリクスの詳細

最近、c 面サファイア上への単層グラフェン (SLG) のメタルフリー化学蒸着 (CVD) が最大 300 mm のウェーハ直径で実証されており、SLG 層の高品質は一般に積分法による特徴です。包括的な分析アプローチを適用することにより、グラフェンとサファイアの界面における明確な相互作用と、基板のトポグラフィーによって引き起こされる局所的な変動が明らかになります。サファイアのステップエッジに近い領域には、遊離グラフェンの典型的なディラックコーンによって識別されるように、剥離したグラフェンによって囲まれた高さ約 0.2 nm の小さなしわが見られます。対照的に、ヒドロキシル末端α-Al2O3 (0001) テラスに CVD SLG を吸着すると、周期性 (2.66 ± 0.03) nm の超構造が得られます。水酸化サファイア表面とSLGのπ電子系の間に形成される弱い水素結合により、きれいな界面が形成されます。電荷注入により、吸着されたグラフェン層にディラック点で約 (73 ± 3) meV のバンドギャップが生じます。理論分析の予測との良好な一致は、このハイブリッドシステムが新たな電子アプリケーションに応用できる可能性があることを強調しています。

二次元材料 (2DM) は、「CMOS + X」と呼ばれるシリコンチップの機能を大幅に拡張するための主要な候補と考えられています。 2DM とシリコン技術の統合により、「ムーア以上」、フォトニック集積回路、ニューロモーフィックコンピューティング、量子技術などの分野で大幅な性能と機能の向上が見込まれます1。機械的柔軟性および電気的堅牢性と組み合わされた優れた構造的、熱的、化学的安定性は、次世代エッジコンピューティングの重要なコンポーネントと考えられているメムリスティブデバイスにとって特に興味深いと考えられます 2、3、4、5、6。最近、Wang ら。は、340 °C の動作温度で最大 107 の耐久性を備えた優れた抵抗スイッチング性能を示すグラフェン/MoS2−xOx/グラフェンデバイスを実証しました7。しかし、界面特性と欠陥、特に成長と剥離中に形成される欠陥の役割をより深く理解するには、さらなる研究が必要です8。新しいニューロモーフィックコンピューティングコンセプトで 2DM の卓越した特性を最大限に活用するには、技術的に適切なウェーハサイズで高品質の材料を得るために、半導体技術と互換性のあるスケーラブルなプロセスが必要です9。

化学蒸着 (CVD) は、良好な結晶性、低い不純物濃度、および大規模バックエンドオブライン (BEOL) との完全な互換性を特徴とするウェハスケールの SLG 膜への信頼性、再現性、および技術的に実行可能な合成ルートであることが証明されています。）統合。大面積SLGは当初、炭化水素源の分解触媒として機能するCu上のCVDによって製造されました10、11、12、13。しかし、金属触媒と転写プロセスに必要な PMMA (ポリ(メチル 2-メチルプロペン酸)) の除去が不完全であることから生じる不純物が、半導体規格を満たしながら大量生産にこの材料を使用することを妨げています 14,15。したがって、現在の研究の関心は、α-Al2O3 (0001) などのシリコン技術と互換性のある絶縁基板上でのグラフェンの直接成長に焦点を当てています16、17、18、19、20。化合物半導体技術におけるこの標準基板は、必要な品質を備えた大口径ウェーハを妥当なコストで大量に入手できることを保証します21。さらに、サファイアの c 面の格子定数 0.476 nm は、グラフェンの格子定数 (2 × 0.247 nm) のほぼ 2 倍です22。最近の研究では、高品質の SLG17、23、24 の直接 CVD および生産規模の反応器 (AIXTRON CCS 2D) を使用した直径 150 mm の基板へのスケールアップに c 面サファイアウェーハが適していることが実証されました。サファイア上でのSLGの直接成長に関する最初の報告以来、異なるサファイア表面上のSLGの整列はいくつかの研究の対象となってきた。エンタニら。とDouら。らは、グラフェンとα-Al2O3 (0001) の間の強力な界面相互作用が、グラフェンπ系の静電力とα-Al2O3 (0001) 表面の酸素層の不飽和電子によって支配され、C-O-Al 界面結合を形成していることを報告しました26。 27. 対照的に、斉藤ら。と上田ら。 C 面サファイア上のグラフェンの成長は、CVD プロセス中に形成されたエッチピットから始まることを発見しました。ピット内の Al に富んだ表面は、SLG 成長の触媒活性において中心的な役割を果たしています 28,29。この主張は、Mishra らの研究によっても裏付けられています。 Chen らは、それぞれ 1180 °C と 1400 °C の高温でグラフェンを堆積する前に、水素雰囲気で処理した α-Al2O3 (0001) の高品質 CVD SLG を取得しました 20,25。 2000 cm2/Vs および 6000 cm2/Vs を超える室温キャリア移動度値が報告されています。未処理のウェーハ上に成長したSLGとは対照的に、これらの膜は、リッジの密度が低く、明確に定義された原子テラス、および2Dラマンモードの平均半値全幅（FWHM）が約30cm-1から約30cm-1の向上した結晶品質を示しました。 35cm−1。それぞれ約 0.15 と 2 をはるかに上回る低い D/G 強度比と 2D/G 強度比の高い 2D/G 比は、1012 cm-2 未満の範囲での欠陥密度とキャリア濃度が低いことを示しています 25。しかし、次世代エレクトロニクス、オプトエレクトロニクス、量子およびニューロモーフィックコンピューティング用のナノスケール電子デバイスを実現するために、水和α-Al2O3 (0001) 上で CVD SLG を使用することへの関心が高まっており、SLG/サファイアの電子特性のより詳細な物理化学的理解が必要です。原子スケールまでのシステム30、31、32。特に、サファイアスタック上のSLGのポテンシャルエネルギー表面は、その後に堆積されるh-BNや遷移金属ジカルコゲニドなどのsp2混成2DM層との界面と、信頼性、耐久性、保持力などの機能デバイスの特性の両方に影響を与えます。

したがって、この研究では、AIXTRON SE が提供する α-Al2O3 (0001) 上の CVD SLG の局所電子輸送特性の分析に焦点を当てます。ラマン分光法とラマンマッピングは、走査型電子顕微鏡法 (SEM)、導電性原子間力顕微鏡法 (c-AFM)、および蒸着された金コンタクトによって実現されるファンデルパウ構造におけるホール測定と組み合わされました。表面の化学的特性評価は、X 線光電子分光法 (XPS) によって実行されました。原子レベルの電子特性は、走査型トンネル顕微鏡 (STM) および分光法 (STS) によって分析されました。マイクロスケールとナノスケールの分析を組み合わせることで、SLG/サファイア相互作用の局所的な変動と、システムの電子特性を制御する弱い静電結合についてのより深い理解が得られました。以前に発表された高度な原理の計算結果との比較 33 は、研究を補足するものです。

SLG は、19 × 2 インチ構成の AIXTRON CCS 2D システムで、オフカット 0.2° (SLG/α-Al2O3 (0001)) で c 面サファイア上に堆積されました。堆積プロセスは、参考文献 25 に記載されているものと本質的に同様でした。プリベークステップでは、サファイア基板を H2 雰囲気中で 1400 °C で 10 分間エッチングしました。続いて、700 mbar の N2 雰囲気中で CH4/H2 混合物を使用し、1460 °C で 500 秒間グラフェンを堆積しました。 SLG/α-Al2O3 (0001) ウェーハは、より小さな断片に劈開され、その後、さらなる分析のために真空または不活性ガス下で保管されました。異なる測定施設または保管施設間のサンプルまたは切断片の輸送は、密閉された箱の中で行われました。測定前にさらなる処理は行われませんでした。

マッピングモードでのμ-ラマン分光法は、8 mWで波長532 nmの固体レーザーを備えたHoribaの共焦点ラマン顕微鏡XploRA™ Plusを利用して室温で実行されました。レーザーラインは 100 倍の顕微鏡対物レンズによってサンプル上に焦点を合わせられ、スポットサイズは約 0.5 μm になりました。集められた光は、1200 本/mm の溝を持つ格子を通して散乱されました。マッピングは、露光時間 2 秒、蓄積時間 2 秒、ステップサイズ 0.4 μm で実行されました。データは、HORIBA の LabSpec 6 分光スイートソフトウェアを使用して処理されました。まず、ベースラインの減算が実行され、次にピークの位置がピークの最大値によって決定されます。強度比は最大強度値から計算され、FWHM 値は最大強度の半分で決定されます。ピークのローレンツ近似と比較すると、誤差範囲を考慮して同等の値が得られます。 XPS 測定は、Physical Electronics の VersaProbe 5000 を使用して実行されました。励起エネルギー 1486.6 eV、ビーム直径 100 μm の単色 Al Kα 放射線を使用しました。 XPS スペクトルの結合エネルギースケールは、それぞれ 285 eV と 74.1 eV の C 1s ピークと Al 2p ピークに合わせて校正されました。 Al 2p、O 1s、および C 1s のサーベイスキャンとコアレベルのスペクトルは、25 W の低出力モード、約 100 μm の X 線スポット直径で記録されました。帯電効果を補償するために、中和剤放出電流 20 μA、中和剤バイアス 1.37 eV で電子中和を実行しました。サーベイスキャンは 187 eV のパスエネルギーで実行されました。 45°のテイクオフ角度および11.75 eVのパスエネルギーで測定された高解像度スキャンを使用して、定量分析を実行しました。スペクトルは、CasaXPS ソフトウェア、バージョン 2.3.23PR1.0 で分析されました。 XPS コアレベル分析では、シャーリーバックグラウンドプロファイルがすべてのコアレベルスペクトルから差し引かれました。 C sp2 ピークは、A (0.4、0.38、20) GL (20) として定義された非対称ピーク形状で CasaXPS にフィットしましたが、他のすべての成分は GL (30) として対称ピーク形状でフィットしました。大気への暴露を最小限に抑えるために、サンプルは窒素中で保管されました。キャリアのタイプ、移動度、およびシート密度は、LakeShore 8404 AC/DC ホール効果測定システムを使用した、室温および 0.2 T の磁場でのホール効果測定から得られました。 SLG/サファイアサンプルを 10 mm × 10 mm の断片に劈開し、従来のファンデルパウ構造の Pt 金属パッドと接触させました。 SEM 画像は、加速電圧 0.5 kV、チャンバー圧力約 10 ～ 7 mbar で動作する Hitachi SU8000 を使用して取得されました。これらの SEM 測定中、SLG は接地されました。 c-AFM および STM 測定では、サンプルの小片 (最大 10 × 10 mm2) を Omicron サンプルホルダーに置きました。 2 枚の小さな金属シートを使用してサンプルを固定し、バックコンタクトとして機能する SLG への導電性コンタクトを作成しました。 AFM および c-AFM 測定は周囲条件下で実行されました。 AFM および c-AFM 測定は、市販の AFM プローブ (Nanosensors™) を備えた Cypher AFM (Asylum Research) のタッピングモードおよびコンタクトモードで実行されました。 STM および STS 測定は、CreaTec Fischer の低温 (LT) STM を使用して実行されました。 STM は、特注の電気化学的にエッチングされた W チップを使用し、4.2 K で 10 ～ 10 mbar 未満のチャンバー圧力の超高真空 (UHV) 下で動作しました。特に指定のない限り、次のシステム設定が使用されました。 STM 測定は、定電流モードで 2.3 V のバイアス電圧を印加し、設定値電流 0.23 nA を使用して実行されました。 STS 測定は、フィードバックループをオフにして + 1.0 ～ - 1.0 V の範囲で行われました。差動トンネル電流は、473 Hz および 80 mV の振幅で動作する内部ロックインアンプを使用して測定されました。 STM 画像は、Image Metrology A/S の SPIP™ 分析ソフトウェアとオプションのノイズフィルターを使用して平面補正されました。

サンプル構造の概要を図 1 の挿入図に示します。代表的なラマン分光データは、サイズ 10 μm × 10 μm のさまざまな領域を表面上のスポットサイズ約 500 nm でスキャンしたラマンマッピング測定から抽出されました。測定間の距離は400 nmです。ラマンマッピングと追加のスペクトルは、補足情報の図S1に示されています。図 1 のすべてのスペクトルには、グラフェンの主要ピーク、D、G、および 2D34、35 が含まれています。 G ピークと 2D ピークの位置、それぞれ ΔωG と Δω2D、半値全幅 (FWHMG と FWHM2D)、強度比 I2D/IG と ID/IG などの特性値を表 1 に示します。 2D ピークのカーブフィッティングにより、それらが単純なローレンツ形状であることがわかります。強度比 I2D/IG を使用して、分析されたグラフェンフィルムが SLG であるか多層グラフェンであるかを定性的に推定できます。強度比がラマン設定、特にレーザー波長と選択した格子に依存することが注目に値します35、36。ピークの位置と半値幅は層の数に依存しますが、欠陥の密度や歪みの影響にも依存します37。

H2 エッチングしたサファイア上の SLG のラマン測定。 3 つの特徴的なスペクトルは、ラマンマッピングから任意に選択されたさまざまな局所位置に関連しています。各スペクトルから得られた特性値を表 1 にまとめます。サンプル構造は挿入図に示されています (Adobe Photoshop バージョン 13.0、Adobe Illustrator CS6 バージョン 16.0、両方: http://www.adobe.com)。

さらに、D/G 強度比は SLG の欠陥濃度と相反関係があり、結晶粒径とも相関します 38。 0.2 の範囲の ID/IG 値は、サンプルにおける欠陥密度が中程度であることを示しています 23,39。図 1 の細い垂直線は、それぞれ 1579 cm-1 と 2673 cm-1 の自立グラフェンの G ピークと 2D ピークの位置を示しています40。ブルーシフトに対応する、より高い値へのピークのわずかなシフトは、おそらく堆積温度からの冷却中に誘発された小さな圧縮歪みを示しています37。グラフェンとサファイアの熱膨張係数は温度範囲全体にわたって異なるため（グラフェンでは負、サファイアでは正）、冷却中にグラフェン層に横方向の圧縮応力が誘発されます41、42、43。

マッピングの横方向の分解能は 500 nm 未満で依然として中程度ですが、Neumann らの報告と一致して、グラフェン層の品質には明らかな局所的な不均一性があります 37。図 1 は、考えられる変動範囲にわたるスペクトルの例を示し、対応する特性値を表 1 に示します。 3 つの主要なタイプのラマンスペクトルが得られます: (1) 黒い曲線は、I2D の強度比を持つ多層グラフェンの存在を示します。 /IG < 2。さらに、2D ピークの線幅は 53 cm-1 領域で非常に広いですが、ピークの位置は自立グラフェンにほぼ一致しています。 (2) 赤色のスペクトルは、I2D/IG > 2 を考慮した SLG 基準を満たし、G ピークと 2D ピークの FWHM 値がそれぞれ約 16 cm-1 と 35 cm-1 であるすべての曲線の最小ピーク幅を示します。 (3) 青色スペクトルも SLG 基準を満たしていますが、自立グラフェンと比較して G および 2 ピークの位置で顕著な青色シフトを示しており、これは圧縮応力効果に起因すると考えられます。青色の曲線の ID/IG 比は赤色の曲線に比べてわずかに増加していますが、これは成長プロセスによる欠陥に加えてひずみの影響と一致しています。グラフェン単層に引張歪みと圧縮歪みを与えた Tsoukleri らの結果 44 と比較すると、得られた青色の曲線のピークシフトは、約 0.3% の局所的な圧縮歪みに起因すると考えられます。ラマン測定の横方向分解能は限られているにもかかわらず、このマッピングは、CVDによってサファイア基板上に成長したグラフェン層（主にSLG）の品質の局所的な違いの証拠を示しています。サイズ約 10 mm × 10 mm のサンプルに対して実行された Van der Pauw 測定は、SLG の全体的なわずかな p 型伝導が示し、室温での移動度は (1500 ± 100) cm2/Vs、シートキャリア濃度は約 2.22 です。これは、約 6000 cm2/Vs20 という顕著な値から、誘電体基板上の CVD グラフェンについて一般的に報告されている値 (通常は 1000 cm2/Vs45 未満) まで、文献の範囲と比較して妥当な範囲内にあります。 H2 エッチングされた α-Al2O3 (0001) 表面は、他の誘電体基板よりも SLG の電子特性に与える影響が小さいと思われます。

グラフェン表面およびグラフェン/基板界面を化学的により詳細に特徴付けるために、XPS 測定を実行しました。 Al 2p、O 1s、C 1s のサーベイスキャンとコアレベルスペクトルは、未処理のサファイア基板、水素中で 1400 °C で 10 分間プリベークした後の α-Al2O3 (0001) サンプル、および SLG/サファイアについて記録されました。サンプル。未処理およびプリベークしたサファイア基板の分析では、285.0 eV の吸着炭素の C 1s シグナルを使用してエネルギースケールを校正しました。 SLG/サファイアサンプルの吸着炭素種とグラフェン層からのC 1s シグナルの重なりにより、エネルギースケールは、結合エネルギー74.1 eV46のAl2O3のAl 2pピークに関して校正されました。図S2aは、元のα-Al2O3（0001）、H2でプリベークしたサファイア表面、およびSLG/サファイアサンプルのサーベイスキャンをそれぞれ黒、青、赤の線でまとめています。すべてのスキャンで、酸素、炭素、アルミニウムに起因するピークのみが観察されます。不純物に由来するピークなど他のピークは見られません。未処理かつH2プリベークした状態のサファイア基板のAl 2p、O 1s、およびC 1sコア準位スペクトルを図S2b–gに示します。図 2a ～図 2c は、SLG/サファイアサンプルのそれぞれのコアレベルのスペクトルを示しています。スペクトルは、CasaXPS ソフトウェア、バージョン 2.3.23PR1.0 で分析されました。シャーリーバックグラウンドプロファイル (黒い線) がすべてのコアレベルのスペクトルから差し引かれました。成分は、A (0.4, 0.38, 20) GL(20)47 として非対称ピーク形状でフィッティングされた C sp2 ピークを除き、GL (30) として対称ピーク形状で CasaXPS にフィッティングされました。スペクトルに適合した化学成分のピークエネルギーと幅 (FWHM) は、補足情報の表 S2 と、SLG/サファイアサンプルの表 2 にリストされています。元のサファイア基板（図S2b〜d）の場合、コアレベルのスペクトルは吸着された炭素によって全体に適合することができ、その結果、285.0 eVにC 1sピークが、532.3 eVにO 1sスペクトルのC = O成分が得られます。 74.1 eV の Al 2p ピークと 530.8 eV の O 1s ピークは、Al2O348 に起因します。 H2中で1400°Cでプリベークした後、Al 2pおよびO 1sスペクトルにそれぞれ約74.8 eVおよび531.5 eVで追加のピークが現れます（図S2e、f）。これらはAl-OH種に起因すると考えられます48。それらの強度が離陸角度に依存していることから、地表近くの位置が確認されます。

45°のテイクオフ角度および11.75 eVの通過エネルギーにおけるH2エッチングされたサファイア上のSLGのコアレベルのスペクトル：（a、b）本質的にサファイア表面に関連するAl 2pおよびO 1sスペクトルを示します。 ; (c) はグラフェン層と吸着炭素種に由来する C 1s スペクトルを示しています。挿入図は倍率を示しています。黒い点は生データを示し、鋼の青い線はフィッティングされたコンポーネントのエンベロープを示し、黒い線は減算されたシャーリーバックグラウンドを示します。次のコンポーネントがフィッティングに使用されます: (Al-OH)* は青、Al-OH は赤、Al2O3 は緑、C=O は茶色、π-π* はオレンジ色、C sp3 は灰色、C sp2 は紫色です。。詳細を表 2 にまとめます。

Al 2p および O 1s コアレベルのスペクトルも、SLG でコーティングした後の H2 エッチングされたサファイア表面の化学状態の指標として考慮されます。図2a、bは、未処理およびH2でプリベークしたサファイア表面で観察された結合エネルギーのピークによって特定される、界面におけるAl2O3基およびAl-OH基の存在を示しています。 Al 2p および O 1s コアレベルのスペクトルは、45° の取り出し角で約 0.38 という 2 つのピーク強度の同じ比 [Al-OH]/[Al2O3] を示します。ただし、測定されたスペクトルに適合させるには、Al-OH と比較して結合エネルギーが高い追加のピークを導入する必要があります。この追加成分 (Al-OH)* の結合エネルギーは、Al 2p と O 1s でそれぞれ 75.9 eV と 532.5 eV であると測定されます。ここでも、2 つのコアレベルのスペクトルのピーク強度の比 [(Al-OH)*]/[Al2O3] は一定で、45°の取り出し角での値は約 0.55 です。異なる結合エネルギーを持つ 2 つの界面成分、Al-OH および (Al-OH)* の出現は、SLG/サファイア相互作用における局所的な不均一性を示している可能性があります。 Al-OH の文献値と比較して (Al-OH)* 成分の結合エネルギーが増加していることは、水素結合の形成を示しています。 C=O シグナルは分析角度 63° で最も強くなり、表面種を示します。図2cのC 1sコアレベルスペクトルは、主要な種としてC sp3およびC sp2シグナルで構成されています。 C sp2 種と結合エネルギー約 290.5 eV の π-π* (シェイクアップ) ピークの明確な特徴 (図 2c の挿入図を参照) は、α-Al2O3 表面にグラフェンが存在することを示しています 49。わずかに高い結合エネルギー、約 285.0 eV での C sp3 炭素成分の測定は、SLG と隣接する官能基の結合の結果であり、H2 エッチングされたサファイアとの相互作用の指標となります 50,51。 [C sp3]/[C sp2] 比は、分析装置の角度に関係なく、約 (0.44 ± 0.01) でほぼ一定です。

大面積のAFM画像（図3a）は均一な形態を示しています。サファイアのステップエッジと毛細管のしわのみが観察されます（裏付け情報図S3）。 α-Al2O3 (0001) は 2 種類のステップエッジを示します。小さいものはステップ高さ 0.21 nm ± 0.01 nm で、2 つの酸素層間の単原子 α-Al2O3 (0001) ステップ (1/6 c = 0.217 nm) の特徴です。より大きなものは、単位セルの高さ (c = 1.299 nm) またはその倍数に相当する 1.30 nm ± 0.01 nm のステップ高さを持ちます 22,52。単位セルのステップは、図 3c の高さプロファイルにマークされています。注目すべきことに、グラフェン中間層間隔 0.33 nm に対応するステップエッジはどの測定でも記録できず、ここでもウェーハ全体にわたる SLG の適用範囲が示されています 53、54。観察されたしわの高さは 0.2 nm ～ 0.6 nm の範囲であり、サファイアのステップエッジを含む 1 µm2 の領域で二乗平均平方根 (38 ± 2) pm の二乗平均平方根 (RMS) 粗さが得られました。

α-Al2O3 (0001) 上の SLG の AFM および SEM 測定。 (a) サファイアのステップのエッジを示す大面積 AFM 画像。 (b) (a) でマークされた領域 (緑色の四角) の高解像度画像。α-Al2O3 (0001) ステップとステップエッジ付近のしわが示されています。 (c) (b) の青いバーに沿った数本の線で平均した断面。約 1.29 nm のサファイアのステップエッジを示します。ステップエッジ付近では、SLG はテラスから午後 120 時から午後 130 時に上昇します。 (d) (a) に対応する位相画像。 (e) SEM 画像。 (f) サファイアのステップエッジ付近の層間剥離の概略図。 2 つの SLG 領域が見られます。1 つは平らなサファイアのテラス上に、もう 1 つはサファイアのステップエッジの近くにあります。 (b) ～ (f) では、それぞれ GI および G-II とラベル付けされています。

高解像度AFM画像に現れるもう1つの特徴は、サファイア表面に対するSLG表面の高さの変化です（図3b、c）。 GI または G-II とラベル付けされた 2 つの領域の RMS 値は (17 ± 2) pm であることに注意してください。平らなサファイアテラスの入口で測定されたSLGとα-Al2O3（0001）の間の垂直距離（図3bを参照）は、明るい領域（G- II) サファイアのステップエッジに沿って。 G-II領域には、図3fに模式的に示されているしわも含まれています。明らかに、SLG はステップエッジ近くのサファイア表面から剥離し、サファイアテラス上の表面構造に従います。また、しわはひずみの解放に由来し、SLG フィルムの層間剥離を補完する可能性があります 17。局所的に不均一なひずみを示すラマンデータとともに、α-Al2O3 (0001) のステップエッジでの剥離によるひずみ解放の一貫した図が浮かび上がります。これらのステップエッジの高さは0.22 nmほど低い場合もありますが、4.0 nmを超える場合もあります（図S3b）。したがって、GI 領域のグラフェンの構造、つまりテラス領域の α-Al2O3 (0001) に吸着したグラフェンは、ステップエッジ付近の剥離したグラフェン/サファイア構造 (G-II) と比較してエネルギー的に好ましいと結論付けます。）。ただし、後者は応力の解放を可能にし、次のテラスでも好ましい GI 構造の形成を可能にするために必要です。この問題については、STM/STS 解析の結果と合わせてさらに詳しく説明します。

タッピングモードで撮影されたAFM位相コントラスト画像によって、さらなる洞察が得られます（図3dを参照）。ここでは、SLG 領域 GI と G-II も異なる明るさで表示され、平坦なサファイアテラス上とサファイアステップエッジ付近の領域でのチップとグラフェンの相互作用が異なることを示しています。さらに、図3eのSEM画像は、高さの差が小さいにもかかわらず、2つの異なるSLGレジームを明確に示しています。ただし、SEM 画像の明るい領域は電子密度が高いことを示しており 55、ステップエッジに沿った SLG 領域 G-II のキャリア密度が、サファイアテラスの入口でより緊密に結合している SLG 領域 GI よりも高いことを示唆しています。さらに、SEM 分析により、これらの特定の形態学的特徴をより大きな長さのスケールで、ウェーハ上の複数の位置で画像化することができました (サポート情報図 S4 を参照)。異なる導電率の影響は、c-AFM を使用してさらに調査されました。

図4に示すc-AFMの結果は、サファイア表面と大きく異なる相互作用を示す2つのSLG領域に特に注目して、トポグラフィー特性と電子特性の直接的な相関関係を可能にします。

c-AFM測定。 (a) 同じサンプルセクションのトポグラフィー画像と (b) 導電率マップ。 (c) (a) と (b) に示されたバーに沿った高さ (青) と電流 (黒) のプロファイル。

図の比較図4aおよびbは、SLGの導電率がサファイアのステップエッジでは突然変化しないことを示していますが、通常はステップエッジの前後30〜80 nmの距離で変化します。図4cのラインスキャンは、サファイアステップエッジの近くに配置された分離したグラフェン（G-II）の導電率が、サファイアテラスに取り付けられたSLG（GI）の導電率よりもほぼ4倍高いことを示しています。

SLG と酸素終端 α-Al2O3 (0001) 表面との間の比較的強い静電相互作用が文献で報告されており、層間間隔は 0.26 nm26 になります。一方、Al 終端 α-Al2O3 (0001) 表面上の SLG の理論的研究では、より弱い分散相互作用と 0.31 nm の層間間隔が示されています 24,26。重要なことは、SLG/Ir(111) 系の垂直方向の間隔が 0.338 nm、SLG/Ni(111) の垂直方向の間隔が 0.215 nm であることは、それぞれ弱いファンデルワールス相互作用と共有結合相互作用を示しています 56,57。 SLG と α-Al2O3 (0001) 間の強力な静電相互作用は、SLG の非局在化した π 電子系が α-Al2O3 (0001) 表面のダングリングボンドと相互作用することに起因します。最上部の酸素原子に位置するこれらのダングリングボンドは、SLG26 の p 型ドーピングを引き起こします。層間のこの相互作用により、電子移動度の低下が予想されます。ただし、垂直のSLG/α-Al2O3(0001)距離は、サファイアのステップエッジ付近で0.12nm増加することがわかりました。テラス上の界面距離の最小値を 0.26 nm と仮定すると、ステップエッジでの距離は 0.38 nm (= 0.26 nm + 0.12 nm) になります。これはグラファイトの層間間隔 (0.336 nm) よりも大幅に大きく、この領域での SLG の層間剥離を示しています。剥離はまた、層間相互作用により電子移動度が低下するα-Al2O3 のテラス領域と比較して、サファイアのエッジ領域の導電率が 4 倍高いことも説明します。したがって、レジーム G-II の SLG は、以下では「ほぼ自立型」グラフェンと見なされます。

サンプルの表面構造に関するより詳細な情報は、LT-UHV-STM 測定から得られました。図5cで拡大された図5aの右側は、サファイアステップエッジ（G-II）近くのSLGに対応し、原子的に分解された構造（挿入図）は、自立グラフェン層の特徴であるハニカムパターンに似ています。ここで、グラフェン副格子の A サイトと B サイトは同等の見かけの高さを持っています。コントラストの変化は、リップルとステップエッジによって可能になるπ-π軌道混合に起因する潜在的な変動によって引き起こされます58。結果として生じる電荷の不均一性はランダムに分布します。図5aの左側（図5bで拡大）は、周期構造を有するサファイアテラス（GI）に吸着したSLGを示しています。さらに、原子的に分解された構造（図5bの挿入図）はわずかに三角形の外観を示し、G-IIと比較してGI領域におけるグラフェン/基板の相互作用が強いことを示しています。文献によると、副格子 A と B の見かけの高さが等しくないことによって示される、明確な三角形の外観とグラフェン格子の対称性の破れは、SLG/グラファイトまたは SLG/金属界面などの強く相互作用するシステムを特徴づけています 59,60。 GI領域におけるSLGの上部構造は2.64 nmと2.68 nmの間の周期を持ち、バックルの大部分は約45 pmの見かけの高さを持ち、図5bで明るい領域として示されているいくつかのバックルのみが見かけの高さを持ちます。範囲は午後 110 時から午後 150 時までです25。バックル構造は、SLG の原子ハニカム構造と比較して 27° ± 1° 回転しています (サポート情報のモアレパターン分析、図 S5)。このモアレパターンは、SLG と α-Al2O3 (0001) 表面の間のねじれ角に由来しており、Al 終端サファイアに対して提案されているスーパーセル、特に Mishra et al. によって報告されたデータと一致しています。 SLG24、25に同等の堆積方法を使用した人。

LT-UHV-STM 測定。 (a) 2 つの異なるグラフェン領域の概要。 (b) 上部構造を示す GI の高解像度画像。挿入図 (1.2 × 1.4) nm2: 原子的に分解されたグラフェン構造。 (c) G-II は、見かけの高さがランダムに変動する、ほぼ自立型の SLG に対応します。挿入図: 原子的に分解されたSLG (1.2 × 1.4) nm2のハニカム構造。 (d、e) それぞれ (b) と (c) に示された線に沿った見かけの高さのプロファイル。

したがって、120 pm の高さの差と GI と G-II の間のコンダクタンスの差は、AFM と c-AFM によって決定され、グラフェンとその下にある α-Al2O3 の異なる層間結合に起因すると考えられます ( 0001) の 2 つの領域は、STM 解析でも確認できます。 G-IIは自立グラフェン層、ハニカムパターン、およびランダムなコントラスト変動の特徴を示しますが、GIは層間結合の兆候、つまりグラフェンパターンと上部構造の三角形の外観を示します（図5）。 STM の 2 つのグラフェン領域間の見かけの高さの差は 160 pm であり、AFM で測定された実際の高さの差を考慮すると、G-II の導電率は GI に比べて約 3 倍増加していることがわかります。グラファイトに吸着されたグラフェンフレークでは、同じ特性変化を伴う同等の挙動が観察されました61。この場合、結合グラフェンと自立グラフェンの高さの差は 100 μm でした。

同じサンプルの平らなテラスとステップエッジ付近での結合機構の違いが、それぞれの領域で異なる電子特性につながることを明確に観察しました。これらの結果は、SLG/サファイアを下部電極/基板スタックとして使用するデバイスの設計にとって明らかに重要です。したがって、SLG/α-Al2O3 (0001) 界面の局所電子特性を STS を使用してさらに詳細に調査しました (図 6)。特に、測定は、形成された超構造によって示されるように、ほぼ遊離のグラフェンである G-II とサファイアとのより強い相互作用を持つ GI の間の境界の線に沿って行われました。コンダクタンスおよび微分コンダクタンスのスペクトルは G-II から始まり、遷移領域を越えて GI に達しました (図 7a も参照)。これらは、異なる STM チップ表面距離を定義する 0.11 nA、0.22 nA、0.35 nA、0.51 nA、および 0.64 nA の異なる設定値電流を使用して、ラインの各点 (15 点) で実行されました。示差導電率スペクトルの完全なセットはサポート情報 (図 S4) にあります。一方、図 6 では、主な特徴を示すために正規化された (dI/dV)/(I/V) スペクトルの選択されたセットがプロットされています。図6のSTS曲線は、0.22nA、0.35nA、および0.51nAの3つの代表的な設定値電流について、G-IIとGIの間の遷移領域のG-II上とGI上の3つの異なる点でプロットされています。。

3 つの W チップでの正規化された微分コンダクタンス測定 - 設定値電流 (Vbias = 1.0 V で、それぞれ青、赤、黒の曲線に対応する 0.22 nA、0.35 nA、および 0.51 nA) によって制御される SLG/α-Al2O3 (0001) 距離）。 (a) ステップエッジ付近の G-II 領域。 (b) G-II と GI の間の遷移領域。 (c) サファイアテラス上の GI 領域。先端に近づくときのディラック点の移動は、垂直の破線で示されます。 (d) (a) でマークされたディラックコーンの図。 (e) (b) でマークされた基板誘起バンドギャップ開口部のプロット。

左側のレジーム G-II から右側のレジーム GI まで、さまざまな SLG 領域を横切る線に沿った STS 特徴。 (a) 15 個の STS 測定位置をマークする 2 つの異なる SLG 領域の STM イメージ (Vbias = 1.0 V、Iset = 0.4 nA)。 (b) Iset = 0.22 nA (青) および Iset = 0.35 nA (赤) の位置依存のディラックポイント (十字) とメイン STS ピーク (丸)。 (c) 位置依存のディラック点 (十字)、電子フォノンピーク (四角)、およびヴァンホーベ特異点ピーク (三角) (Iset = 0.22 nA)。

グラフェンの局所状態密度 (LDOS) は、下にある基板への静電結合、リップルや欠陥の影響、あるいは単に先端の接近など、小さな環境摂動に対しても非常に敏感です 59,62。これらすべての影響により、差動コンダクタンスのバイアス依存性が特殊になり、これはローカル DOS に直接関係します。 G-II で得られた (dI/dV)/(I/V) 曲線 (図 6a) では、(− 0.52 ± 0.03) V での最大チップ-サンプル間距離 (Iset = 0.22 nA) に対して 2 つの主な特徴が現れます。それぞれ、(+ 0.36 ± 0.04) V と (+ 0.36 ± 0.04) V。それらは、設定値電流の増加、つまりチップとサンプルの距離の減少に伴って強度が増加するチップとグラフェンの相互作用に対応します63。図6dでは、G-IIの差動コンダクタンスで特定されたV字型ディラック点の最小値は、VDII = (15±7) mV (Iset = 0.22 nA)で識別でき、弱いpドーピングを示しています。これは、ファン・デル・パウ測定の結果。ただし、このディラック点のシフトは、チップの材料、特にチップの材料とグラフェンの間の仕事関数の違い、チップの形状、およびチップとサンプル間の距離に強く依存します62、63、64。先端がサンプルに近づくと、ディラック点と STS スペクトル全体が負の値 ΔVDII = (-155 ± 13) mV にシフトすることが観察されます (図 6a の黒い垂直線で示されています)。この動作は文献63のデータと一致しています。

ディラック点に隣接する 2 つの肩は、図 1 と図 2 の G-II で観察された、約 (134 ± 24) mV 離れています。 6a、d、7c は、SiO2 またはグラファイト上のグラフェンの研究と同様の電子 - フォノン (e-ph) 相互作用に起因すると考えられます61、65。トンネル電子と基板固有のフォノン、ここではおそらく約 65 meV のエネルギーを持つグラフェンの面外音響フォノンとの結合により、我々の観察を説明する EF ± 65 meV での LDOS の特徴が得られます。 e-ph カップリングは自立型グラフェンに特徴的なものであるため、G-II61,64,65 には、SLG とサファイアのわずかな相互作用しか存在しない可能性があることが示唆されています。チップとサンプル間の距離が減少すると、LDOS の摂動がより顕著になり、ディラックコーンの形状や観察に影響を与えることに注意してください。

GIで測定された正規化された微分コンダクタンスデータ（図6c）は、G-IIと比較して大きく異なる特徴を示しています。主な特徴は (- 0.75 ± 0.02) V および (+ 0.85 ± 0.03) V 付近で発生し、SLG の π バンドと α-Al2O3 (0001) の欠陥状態との相互作用に割り当てられます。これらの欠陥状態は約 1.5 eV の間隔を示し、不均一な表面で予想されるように局所的に変化すると報告されています 66。したがって、GI と G-II の微分コンダクタンススペクトルの主な特徴は、それぞれ、SLG π バンド/α-Al2O3 欠陥状態と SLG/チップ相互作用という異なる原因によるものです。これは、GIでは1.60 V、G-IIではわずか0.88 Vという主な特徴間の距離の変化にも反映されており（図7b）、2つの領域でSLGとサファイア基板の相互作用が明らかに異なることを示しています。 W チップが GI (Iset = 0.22 nA、0.35 nA、0.51 nA) に近づくと、ΔVDI = (− 34 ± 14) mV (負電圧に対して) だけのディラック点のシフトが観察されます。これは、W チップと比較して大幅に小さくなります。それはG-IIにあります。これは、α-Al2O3 (0001) 基板への SLG の結合が強化された結果です。 Iset = 0.22 nA では、ディラック点は VDI = (16 ± 7) mV であり、弱い p 型ドーピングを示していますが、Iset = 0.51 nA では、値 VDI = (− 18 ± 9) mV であることに注意してください。 GI 層と W チップおよび α-Al2O3 (0001) 基板との相互作用の結果。大きなチップ/基板距離に対する GI および G-II 領域のディラック点は、どちらも同等のわずかな p ドーピングを示しています。

α-Al2O3 (0001) のテラスの入口にエピタキシャル的に SLG が静電結合すると、GI の電子構造に顕著な影響を伴う周期的な上部構造が生じます。周期的な層間結合はグラフェン副格子の対称性の破れにつながり、上で議論した SLG と α-Al2O3 (0001) の間のねじれ角は、おそらくグラフェンの LDOS における Van Hove 特異点 (VHS)、すなわち極大値につながります 61。これらは、GIのSTS測定において、約ΔVHS = (301±34) mVの間隔でディラック点の両側のピークとして現れ（図6c）、SLGとα-Al2O3（0001）表面との相互作用を確認します。なぜなら、VHS および基板に対するグラフェン DOS の他のすべての摂動は、層間結合の場合にのみ観察できるからです (詳細な分析はサポート情報で)。

図6bに示されている(dI/dV)/(I/V)曲線は遷移領域で得られ、さまざまな強度でG-IIとGIの両方の特徴を示しています。興味深いことに、Iset = 0.35 nAで測定されたSTS曲線は、（87±5）meVのディラック点でバンドギャップ開口部を示しています（図6b、e、6回の測定の平均値：（73±3）meV）。これは、SLG と α-Al2O3 (0001) 表面の間の層間相互作用の結果として観察されます 27、33、67。このようなバンドギャップ開口部は、SiO2 基板または SiC 基板について報告されているように、それぞれ 90 meV または 260 meV にもなる可能性があります 68,69。ただし、ここではバンドギャップは、STS に使用される特定の電流設定値でのみ表示され、値が大きくなったり小さくなったりすると消えます68。この電流設定値への依存性と、さらに局所的な依存性が観察されます。バンドギャップ開口部は、GI 上の最後の測定点で最もよく分解されます。ここでは、π バンドの周期変調は終了しますが、副格子の対称性はまだ破れています。その結果、VHSの強度が減少し、残りのバンドギャップとの干渉が小さくなります。この研究で決定されたバンドギャップ開口の大きさはかなり小さく、GI と α-Al2O3 (0001) との間のわずかな相互作用を示しています。ただし、これは Huang らによって実行された高度な第一原理計算から導出された 84 meV の値とよく一致します。グラフェン/α-Al2O3(0001)系について33．著者らは計算に基づいて、きれいな界面を持つ 2 つの構造を提案しました。これらは、Al 終端 α-Al2O3 (0001) 上のグラフェンと完全に水酸化された α-Al2O3 (0001) 上のグラフェンで、それぞれオープンバンドギャップは約 182 meV と 84 meV です。一方、Huang らの計算は次のようになります。 O 終端サファイア表面とグラフェン層の間に強い相互作用があり、グラフェンと表面の酸素軌道の間のハイブリッド形成によってギャップ状態が生じることが予測されています 33。参考文献 26、27 で説明されているような強力な Al-O-C 結合は、私たちのシステムでは除外できます。

ある SLG 領域から別の SLG 領域への線に沿って起こるグラフェンの局所電子特性の変化を図 7 にまとめます。ここに示されているのは、G-II と GI の間の境界を横切る線に沿ったピーク位置です。 15測定点のSTS分析。図 7b は、0.22 nA と 0.35 nA の設定値電流の (dI/dV)/(I/V) 曲線の主な特性をそれぞれ赤と青の色で示し、比較しています。 G-II と GI の間の遷移領域におけるメインピークの位置の急激な変化がはっきりと観察できます。さらに、G-II と GI の先端から表面までの距離に対するディラックポイントの依存性が明らかです。もう1つの興味深い特徴は、図7cから最もよく推測できるように、VHSピーク（レジームGI）とe-phカップリングから生じるG_IIのピークの位置が交互になることです。上で述べたように、e-ph 結合は（ほぼ）分離されたグラフェン層でのみ観察できますが、VHS はねじれた層の結合から生じます。したがって、GI と G-II の VD 付近のピークの起源は明らかに異なり、GI が結合グラフェンに対応するのに対し、G-II はほぼ自立しているという仮定を直接裏付けています。

グラファイトおよびSiO2上のグラフェンの研究と比較した、化学的表面特性評価および局所トポグラフィーおよび電子構造の定量分析による、スケーラブルなCVDプロセスから得られたSLG/α-Al2O3(0001)系の包括的な分析の結果。第一原理計算から導出された構造シミュレーション 33,70 により、SLG/α-Al2O3 (0001) 界面の層間結合を明確に特定することができます。 XPS および (dI/dV)/(I/V) 解析の結果に基づいて、O 終端された α-Al2O3 (0001) 表面と強い Al-OC 結合をシステムから除外できます。より詳細な比較により、SLG/ヒドロキシル化α-Al2O3 (0001) が最も可能性の高い界面であることが特定されます。これは、サファイアテラス上のSLGで観察された平坦なトポグラフィーと、ディラック点で約(73±3)meVのSLGのバンドギャップ開口部の実験的証拠によっても裏付けられています。これは、グラフェンと水酸化α-Al2O3 (0001) 表面の界面について計算された約 84 meV の値に非常に近いです 33。

要約すると、図8の概略図は、これまでに説明した化学的およびトポグラフィーの結果と一致する、2つの領域の最も合理的なSLG/ヒドロキシル化α-Al2O3（0001）構造を示しています。 XPS 分析から得られたサファイア表面の部分的なヒドロキシ終端が概略図に含まれています。図8aに示すSLG領域GIは、非局在化グラフェン-π-電子系と上部サファイア層との相互作用によって特徴付けられ、O-H…π-電子系の弱い水素結合を引き起こします33,71。ステップエッジ近くのG-II領域では、層間間隔がさらに増加し、図8bに示すように、ほぼ自立したSLGが得られます。要約すると、GI 領域と G-II 領域の SLG/α-Al2O3 (0001) 界面における層間結合のこれらの違いは、実験によるトポグラフィーおよび電子観察を説明します。図8に示す基本モデルは、グラフェン、さらには積層された2D材料に基づくデバイスの電子特性に対する層間結合の影響を議論するための出発点として機能します。

GI および G-II 体制における SLG/α-Al2O3 (0001) 界面の図 (Blender バージョン 2.93.1; http://www.blender.org)。 c 面の α-Al2O3 の原子構造は、Jain et al.72 (Al ターコイズ、O 赤) から取得され、参考文献 33 と一致して提案されたヒドロキシル末端が追加されています (H ブルー)。 SLG は灰色で示され、π 電子系は緑色で示されます。 (a) ヒドロキシル末端サファイアとSLG (領域GI) の相互作用。 (b) 「ほぼ自立型」SLG (領域 G-II)。

要約すると、我々は、XPSおよびラマン分光法と組み合わせたSEM、AFM、c-AFMなどのさまざまな表面感度手法を適用して、H2エッチングされたα-Al2O3（0001）上に堆積されたSLGの形態学的、トポグラフィーおよび電子的特性間の局所的相関を調査しました。商業的な CVD プロセスから生じる均一なウェーハサイズの SLG は、中間の欠陥濃度で局所レベルで不均一性を示します。さらに、我々は、SLG/α-Al2O3 (0001) 界面相互作用が著しく異なる、SLG 膜の 2 つの領域を特定しました。特徴的に、これらの領域はサファイアのテラス上またはステップエッジに沿って位置しています。 STM/STS法を使用した原子的に分解されたトポグラフィーおよび電子的特性評価に基づいて、弱いながらも明確な界面相互作用がサファイアのテラス上で見つかりました。これは、ヒドロキシル末端サファイアとSLGの間の弱い水素結合に起因すると考えられます。これらは、六方晶系α-Al2O3(0001)と六方晶系グラフェン構造との間のねじれ角によって形成されるモアレ構造である。グラフェン層への電荷注入の結果である、ディラック点における約 (73 ± 3) meV の SLG のバンドギャップ開口部が実験的に検出できました。絶対値は、第一原理計算による予測とよく一致しています。対照的に、ステップエッジ近くのSLGは、ほぼ自立していると考えられます。この状況は、サファイアのステップエッジに沿った自立型SLGと、導電性が4分の1低いサファイアテラス上のSLGによって形成される導電パスとして説明できます。SLGとH2エッチングされたサファイアの間の弱い界面相互作用により、 SLG/α-Al2O3 (0001) の高い導電性をもたらす高い電荷キャリア移動度。これらの結果は、SLG/α-Al2O3 (0001) 界面のさらなる理解に貢献し、支持絶縁基板とエピタキシャル関係を持つ導電性電極層としてのグラフェンに基づく将来のデバイスコンセプトにとって特に興味深いものであると考えられます。

現在の研究中に使用および/または分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

Lemme, MC、Akinwande, D.、Huyghebaert, C.、Stampfer, C. 将来の異種エレクトロニクスのための 2D 材料。ナット。共通。黙示録 13、1392 (2022)。

論文 ADS PubMed PubMed Central CAS Google Scholar

Hui、F.ら。抵抗性ランダムアクセスメモリ用のグラフェンおよび関連材料。上級電子。メーター。 3、1600195 (2017)。

記事 Google Scholar

Ge、R.ら。アトムライザー: 遷移金属ジカルコゲニドの原子シートにおける不揮発性抵抗スイッチング。ナノレット。 18、434–441 (2018)。

論文 ADS PubMed CAS Google Scholar

チェン、WH 他 AI エッジプロセッサ向けの CMOS 統合型メモリスティブ不揮発性コンピューティングインメモリ。ナット。電子。 2、420–428 (2019)。

記事 CAS Google Scholar

Huh, W.、Lee, D. & Lee, CH ニューロモーフィックエレクトロニクス用の人工シナプスとして 2D 材料に基づくメモリスタ。上級メーター。 32、2002092 (2020)。

記事 CAS Google Scholar

Cao、G.ら。ニューロモーフィックコンピューティング用の 2D マテリアルベースのシナプスデバイス。上級機能。メーター。 31、2005443 (2021)。

記事 CAS Google Scholar

ワン、M.ら。層状の二次元材料に基づいた堅牢なメモリスタ。ナット。電子。 1、130–136 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

バックス、C.ら。グラフェンおよび関連材料の製造および加工。 2Dメーター。 22001 年 7 月 (2020 年)。

記事 CAS Google Scholar

チェン、S.ら。人工ニューラルネットワーク用の高密度メムリスティブクロスバーアレイにおける 2 次元材料のウェーハスケールの統合。ナット。電子。 3、638–645 (2020)。

記事 CAS Google Scholar

Hao、Y.ら。銅上の大きな単結晶グラフェンの成長における表面酸素の役割。サイエンス 342、720–723 (2013)。

論文 ADS PubMed CAS Google Scholar

Miseikis、V. et al. コールドウォール反応器を使用したミリメートルサイズの単結晶グラフェンの高速 CVD 成長。 2Dメーター。 2、14006 (2015)。

記事 Google Scholar

Vlassiouk, IV et al. 多結晶基板上の二次元材料の進化的選択成長。ナット。メーター。 17、318–322 (2018)。

論文 ADS PubMed CAS Google Scholar

Tyagi、A.ら。技術的に適切な基板上の超クリーンな高移動度グラフェン。ナノスケール 14、2167–2176 (2022)。

論文 PubMed CAS Google Scholar

リン、YCら。グラフェンのアニーリング: どこまでクリーンにできるのでしょうか? ナノレット。 12、414–419 (2012)。

論文 ADS PubMed CAS Google Scholar

ルピナ、G.ら。移された化学蒸着グラフェンの残留金属汚染。 ACS Nano 9、4776–4785 (2015)。

論文 PubMed CAS Google Scholar

Ruemmeli, MH et al. 誘電体絶縁体上での直接低温ナノグラフェン CVD 合成。 ACS Nano 4、4206–4210 (2010)。

記事 CAS Google Scholar

マサチューセッツ州ファントンら。メタルフリー化学気相成長法によりサファイア上に成長したグラフェン膜とトランジスタの特性評価。 ACS Nano 5、8062–8069 (2011)。

論文 PubMed CAS Google Scholar

Bi, H.、Sun, S.、Huang, F.、Xie, X.、Jiang, M. SiO2 基板上での数層グラフェン膜の直接成長とその太陽光発電への応用。 J. メーター。化学。 22、411–416 (2012)。

記事 CAS Google Scholar

ミシュラ、N.ら。六方晶窒化ホウ素上でのグラフェンの迅速かつ触媒不要のファンデルワールスエピタキシー。カーボン 96、497–502 (2016)。

記事 CAS Google Scholar

チェン、Z.ら。ウェハスケールの高度に配向したグラフェンをサファイア上に直接成長させます。科学。上級 7、eabk0115（2021）。

論文 ADS PubMed PubMed Central CAS Google Scholar

Neumayer, D. & Ekerdt, J. III 族窒化物の成長。プリカーサーとテクニックのレビュー。化学。メーター。 8、9–25 (1996)。

記事 CAS Google Scholar

Cuccureddu、F. et al. 高温アニールによって生成された c 面サファイア (アルファアルミナ) の表面形態。サーフィン。科学。 604、1294–1299 (2010)。

記事 ADS CAS Google Scholar

ソン、HJ 他サファイア上でのグラフェンの大規模なメタルフリー合成と転写フリーのデバイス製造。ナノスケール 4、3050–3054 (2012)。

論文 ADS PubMed CAS Google Scholar

ファン・ジェイら。金属触媒を使用しない化学気相成長によるサファイア上へのグラフェンのファンデルワールスエピタキシャル成長。 ACS Nano 7、385–395 (2013)。

論文 PubMed CAS Google Scholar

ミシュラ、N.ら。サファイア上でのグラフェンのウェーハスケール合成: ファブ互換グラフェンに向けて。小 15、1904906 (2019)。

記事 CAS Google Scholar

Entani, S. et al. グラフェン/サファイアヘテロ構造における層間距離の縮小。ナノ解像度。 8、1535–1545 (2015)。

記事 CAS Google Scholar

Dou、Z.ら。グラフェン/サファイア界面における強い相互作用の原子機構。ナット。共通。 10、5013 (2019)。

論文 ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

Saito, K. & Ogino, T. 自己触媒化学蒸着によるサファイア (0001) および (11-20) 表面へのグラフェン膜の直接成長。Ｊ．Ｐｈｙｓ．化学。 C 118、5523–5529 (2014)。

記事 CAS Google Scholar

上田裕也、山田純、小野哲、丸山哲、成塚晋。金属触媒を使用しない減圧CVDによるグラフェン直接成長に対するサファイア基板の結晶配向効果。応用物理学。レット。 115、13103 (2019)。

記事 ADS Google Scholar

チェン、Z.ら。サファイア上でのナノパターン化グラフェンの直接成長と発光ダイオードへの応用。上級機能。メーター。 30、2001483 (2020)。

記事 CAS Google Scholar

クリシュナプラサド、A. 他。 MoS2/グラフェンメモリスタを使用したほぼ線形の重み更新を備えた電子シナプス。応用物理学。レット。 115、103104 (2019)。

記事 ADS Google Scholar

Kalita, H. et al. 垂直 MoS2/グラフェン閾値スイッチングメモリスタを使用した人工ニューロン。科学。議員9、53（2019）。

論文 ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

Huang, B.、Xu, Q.、Wei, SH グラフェントランジスタの理想的なゲート誘電体材料としてのコランダムの理論的研究。物理学。 Rev. B 84、155406 (2011)。

記事 ADS Google Scholar

Ni、Z.、Wang、Y.、Yu、T.、Shen、Z. グラフェンのラマン分光法とイメージング。ナノ解像度。 1、273–291 (2008)。

記事 CAS Google Scholar

Das, A.、Chakraborty, B. & Sood, AK さまざまな基板上のグラフェンのラマン分光法と欠陥の影響。ブル。メーター。科学。 31、579–584 (2008)。

記事 CAS Google Scholar

グラフ、D. et al. 単層および数層グラフェンの空間分解ラマン分光法。ナノレット。 7、238–242 (2007)。

論文 ADS PubMed CAS Google Scholar

Neumann, C. et al. グラフェンのナノメートルスケールのひずみ変動のプローブとしてのラマン分光法。ナット。共通。 6、8429 (2015)。

論文 ADS PubMed CAS Google Scholar

フェラーリ、AC およびバスコ、DM グラフェンの特性を研究するための多用途ツールとしてのラマン分光法。ナット。ナノテクノロジー。 8、235–246 (2013)。

論文 ADS PubMed CAS Google Scholar

アネモネ、G. et al. サファイア上のグラフェンの品質: ヘリウム回折による長距離秩序とラマン分光法による格子欠陥。 RSC アドバンス 6、21235–21245 (2016)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Berciaud, S.、Ryu, S.、Brus, LE & Heinz, TF 剥離したグラフェンの固有特性の調査: 自立単層のラマン分光法。ナノレット。 9、346–352 (2009)。

論文 ADS PubMed CAS Google Scholar

Yoon, D.、Son, YW、Cheong, H. ラマン分光法で測定したグラフェンの負の熱膨張係数。ナノレット。 11、3227–3231 (2011)。

論文 ADS PubMed CAS Google Scholar

Yim, W. & Paff, R. AlN、サファイア、シリコンの熱膨張。Ｊ．Ａｐｐｌ．物理学。 45、1456–1457 (1974)。

記事 ADS CAS Google Scholar

ポッツォ、M. et al. 支持された自立グラフェンの熱膨張: 格子定数と原子間距離。物理学。レット牧師。 106、135501 (2011)。

論文 ADS PubMed Google Scholar

Tsoukleri、G. et al. グラフェン単層に張力と圧縮を加えます。 Small 5、2397–2402 (2009)。

論文 PubMed CAS Google Scholar

チャン、J.ら。化学気相成長法で成長させたグラフェンの外部性能制限要因を軽減します。 ACS Nano 6、3224–3229 (2012)。

論文 PubMed CAS Google Scholar

Kloprogge, J.、Duong, L.、Wood, B. & Frost, R. ボーキサイトの主要な鉱物の XPS 研究: ギブサイト、バイヤライト、および (擬) ベーマイト。 J. コロイド界面科学。 296、572–576 (2006)。

論文 ADS PubMed CAS Google Scholar

フェアリー、N.ら。 X線光電子分光法を使用した問題解決への系統的かつ協調的なアプローチ。応用サーフィン。科学。上級 5、100112 (2021)。

記事 Google Scholar

Surface Science Western およびカリフォルニア州ウェスタンオンタリオ大学の X 線光電子分光法 (XPS) の参考ページ。 http://www.xpsfitting.com (2021)。

Eberlein、T.ら。自立型グラフェンフィルムのプラズモン分光法。物理学。 Rev. B 77、233406 (2008)。

記事 ADS Google Scholar

ラブチンスキー、MK et al. 酸化グラフェンからアミノ化グラフェンへ: 容易な合成、その構造および電子特性。科学。議員番号 10、6902 (2020)。

論文 ADS PubMed PubMed Central CAS Google Scholar

ブルーム、R.ら。さまざまな環境条件下での多結晶Cu上のグラフェンの特性に対するインターカレーションされた酸素の影響。物理学。化学。化学。物理学。 16、25989–26003 (2014)。

論文 PubMed CAS Google Scholar

吉本正他高品質の薄膜製造のためのサファイア基板上への原子スケールの超平滑表面の形成。応用物理学。レット。 67、2615–2617 (1995)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Baskin, Y. & Meyer, L. 低温におけるグラファイトの格子定数。物理学。改訂 100、544–544 (1955)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Trucano, P. & Chen, R. 中性子回折によるグラファイトの構造。ネイチャー 258、136–137 (1975)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Seiler, H. 走査型電子顕微鏡における二次電子放出。Ｊ．Ａｐｐｌ．物理学。 54、R1–R18 (1983)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Busse, C. et al. Ir(111) 上のグラフェン: 化学変調による物理吸着。物理学。レット牧師。 107、36101 (2011)。

記事 ADS Google Scholar

蒲生、Y.、長島、A.、若林、M.、寺井、M.、大島、C. Ni(111) 上に形成された単層黒鉛の原子構造。サーフィン。科学。改訂 374、61–64 (1997)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Kim、EA & Castro Neto、AH 電子膜としてのグラフェン。ユーロフィス。レット。 84、57007 (2008)。

記事 ADS Google Scholar

Li, G.、Luican, A. & Andrei, EY グラファイト上のグラフェンの走査トンネル分光法。物理学。レット牧師。 102、176804 (2009)。

論文 ADS PubMed Google Scholar

Varykhalov、A. et al。壊れた副格子対称性における無傷のディラックコーン: Ni および Co. 物理学上のグラフェンの光電子放出研究。 Rev. 2、41017 (2012)。

記事 CAS Google Scholar

Andrei, EY, Li, G. & Du, X. グラフェンの電子特性: 走査型トンネル顕微鏡と磁気輸送からの視点。プログレ議員。物理学。 75、56501 (2012)。

記事 ADS Google Scholar

ペンシルベニア州ホミャコフら。グラフェンと金属間の相互作用と電荷移動の第一原理研究。物理学。 Rev. B コンデンス。問題 79、195425 (2009)。

記事 ADS Google Scholar

小林 K.、一色 N.、塚田 M. 走査トンネル分光法におけるチップ原子構造の影響。ソリッドステートコミュニケーション。 74、1187–1191 (1990)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Morgenstern, M. 絶縁基板上のグラフェンの走査型トンネル顕微鏡と分光法。物理学。ステータス Solidi B 248、2423–2434 (2011)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Zhang、Y.ら。ゲート調整可能なグラフェンの走査トンネル分光法における巨大フォノン誘起コンダクタンス。ナット。物理学。 4、627–630 (2008)。

記事 CAS Google Scholar

Dietrich, C.、Koslowski, B. & Ziemann, P. Nb(110)/サファイア(0001) 上に成長させた超薄エピタキシャル Al2O3 膜をトンネル分光法と顕微鏡で調査。Ｊ．Ａｐｐｌ．物理学。 97、83515 (2005)。

記事 Google Scholar

ニューメキシコ州フライタグら。窒化ホウ素上のエッジフリーグラフェン量子ドットにおける大きな調整可能な谷の分割。ナット。ナノテクノロジー。 13、392–399 (2018)。

論文 ADS PubMed CAS Google Scholar

ゲリンジャー、V. et al. 微細はんだ付けされたグラフェンの電気輸送および低温走査型トンネル顕微鏡観察。応用物理学。レット。 96、82114 (2010)。

記事 Google Scholar

周、SYら。エピタキシャルグラフェンにおける基板誘起のバンドギャップ開口。ナット。メーター。 6、770–775 (2007)。

論文 ADS PubMed CAS Google Scholar

Ｅｎｇ、Ｐ．ら。水和α-Al2O3 (0001) 表面の構造。サイエンス 288、1029–1033 (2000)。

論文 ADS PubMed CAS Google Scholar

Geiseler, G. & Seidel, H. 水素結合 (Akademie-Verlag、1977)。

Google Scholar を予約する

ジェイン、A.ら。解説: マテリアルズプロジェクト: 材料イノベーションを加速するための材料ゲノムアプローチ。 APLメーター。 1、11002 (2013)。

記事 Google Scholar

リファレンスをダウンロードする

著者らは、技術支援をしていただいた René Borowski、Jochen Friedrich、Marcel Gerst に感謝の意を表します。

この研究は、プロジェクト NEUROTEC (プロジェクト番号 16ME0398K、16ME0399 および 16ME0403) および NeuroSys (プロジェクト番号 03ZU1106AB) においてドイツ連邦教育研究省 (BMBF) から一部資金提供を受けており、ユーリッヒアーヘン研究同盟 (JARA) に基づいています。 -フィット）。 Projekt DEAL によって実現および組織されたオープンアクセス資金調達。

Peter Grünberg Institute 7、Forschungszentrum Jülich GmbH および JARA-FIT、52425、ユーリッヒ、ドイツ

ヘンリック・ヴェルデンウェバー、シルヴィア・カートホイザー、趙東ワン、シュテファン・オーセン、ライナー・ヴァザー

JARA Institute Energy-Efficient Information Technology (Green IT & PGI-10)、Forschungszentrum Jülich GmbH、52425、ユーリッヒ、ドイツ

ライナー・ヴァザー & スザンヌ・ホフマン＝アイフェルト

電気工学および情報技術材料研究所 II、RWTH アーヘン大学、52074、アーヘン、ドイツ

ライナー・ワザー

化合物半導体技術、アーヘン工科大学、52074、アーヘン、ドイツ

アニカ・グルンドマン、ホルガー・カリシュ、アンドレイ・ヴェスカン、マイケル・ヒューケン

AIXTRON SE、52134、ヘルツォーゲンラート、ドイツ

マイケル・ヒューケン

RWTH アーヘン大学、52066、アーヘン、ドイツ

ヘンリック・ヴェルデンウェバー、Zhaodong Wang、ステファン・オーセン

PubMed Google Scholar でこの著者を検索することもできます

HW は、AFM、SEM、c-AFM、LT-UHV-STM、および STS 測定を実行しました。 HW と SK はデータを分析し、解釈に貢献しました。 AG、ZW、SA はラマン分析と XPS 分析を実行し、解釈に貢献しました。 MH がサンプルを提供してくれました。 SKとSHが研究を監督した。著者全員が結果とその解釈について議論しました。この原稿は著者全員の寄稿によって書かれました。すべての著者が原稿の最終版に承認を与えました。

シルヴィア・カートホイザーまたはスザンヌ・ホフマン＝アイフェルトとの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガーネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

オープンアクセスこの記事はクリエイティブコモンズ表示 4.0 国際ライセンスに基づいてライセンスされており、元の著者と情報源に適切なクレジットを表示する限り、あらゆる媒体または形式での使用、共有、翻案、配布、複製が許可されます。クリエイティブコモンズライセンスへのリンクを提供し、変更が加えられたかどうかを示します。この記事内の画像またはその他のサードパーティ素材は、素材のクレジットラインに別段の記載がない限り、記事のクリエイティブコモンズライセンスに含まれています。素材が記事のクリエイティブコモンズライセンスに含まれておらず、意図した使用が法的規制で許可されていない場合、または許可されている使用を超えている場合は、著作権所有者から直接許可を得る必要があります。このライセンスのコピーを表示するには、http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ にアクセスしてください。

転載と許可

Wördenweber, H.、Karthäuser, S.、Grundmann, A. 他化学気相成長法によるα-Al2O3 (0001) 上の単層グラフェンの電子特性を原子的に分解。 Sci Rep 12、18743 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-22889-4

引用をダウンロード

受信日: 2022 年 5 月 13 日

受理日: 2022 年 10 月 20 日

公開日: 2022 年 11 月 5 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-22889-4

次のリンクを共有すると、誰でもこのコンテンツを読むことができます。

申し訳ございませんが、現在この記事の共有リンクは利用できません。

Springer Nature SharedIt コンテンツ共有イニシアチブによって提供

科学レポート (2023)

コメントを送信すると、利用規約とコミュニティガイドラインに従うことに同意したことになります。虐待的なもの、または当社の規約やガイドラインに準拠していないものを見つけた場合は、不適切としてフラグを立ててください。