Propiedades electrónicas resueltas atómicamente en grafeno de una sola capa en α

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 18743 (2022) Citar este artículo

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Recientemente se ha demostrado la deposición de vapor químico (CVD) libre de metales de grafeno de una sola capa (SLG) en zafiro plano c para diámetros de obleas de hasta 300 mm, y la alta calidad de las capas SLG generalmente se caracteriza por métodos integrales. Al aplicar un enfoque de análisis integral, se revelan distintas interacciones en la interfaz de grafeno-zafiro y variaciones locales causadas por la topografía del sustrato. Las regiones cercanas a los bordes de los escalones de zafiro muestran pequeñas arrugas con una altura de aproximadamente 0,2 nm, enmarcadas por grafeno deslaminado, identificado por el típico cono de Dirac de grafeno libre. Por el contrario, la adsorción de CVD SLG en las terrazas de α-Al2O3 (0001) terminadas en hidroxilo da como resultado una superestructura con una periodicidad de (2,66 ± 0,03) nm. Los enlaces de hidrógeno débiles formados entre la superficie de zafiro hidroxilado y el sistema de electrones π de SLG dan como resultado una interfaz limpia. La inyección de carga induce una banda prohibida en la capa de grafeno adsorbido de alrededor de (73 ± 3) meV en el punto de Dirac. El buen acuerdo con las predicciones de un análisis teórico subraya el potencial de este sistema híbrido para aplicaciones electrónicas emergentes.

Los materiales bidimensionales (2DM) se consideran candidatos principales para ampliar significativamente la funcionalidad de los chips de silicio, denominados 'CMOS + X'. La cointegración de 2DM con tecnología de silicio plantea la perspectiva de un rendimiento sustancial y ganancias funcionales en áreas como 'Más que Moore', circuitos integrados fotónicos, computación neuromórfica y tecnologías cuánticas1. La excelente estabilidad estructural, térmica y química combinada con la flexibilidad mecánica y la robustez eléctrica pueden ser de particular interés para los dispositivos memristivos, que se consideran componentes clave para la computación de borde de próxima generación2,3,4,5,6. Recientemente, Wang et al. demostró un dispositivo de grafeno/MoS2−xOx/grafeno que muestra un excelente rendimiento de conmutación resistiva con una resistencia de hasta 107 a una temperatura de funcionamiento de 340 °C7. Sin embargo, se necesita más investigación para una comprensión más profunda del papel de las propiedades y los defectos interfaciales, especialmente los que se forman durante el crecimiento y la exfoliación8. Para aprovechar al máximo las propiedades excepcionales de los 2DM para los nuevos conceptos de computación neuromórfica, se necesita un proceso escalable compatible con la tecnología de semiconductores para obtener material de alta calidad en tamaños de obleas tecnológicamente relevantes9.

La deposición química de vapor (CVD) ha demostrado ser una ruta de síntesis confiable, reproducible y tecnológicamente viable para películas SLG a escala de obleas caracterizadas por buena cristalinidad, bajas densidades de impurezas y compatibilidad total con back-end-of-line a gran escala (BEOL). ) integración. Inicialmente, las SLG de gran superficie se fabricaron mediante CVD en Cu, que sirve como catalizador para la descomposición de las fuentes de hidrocarburos10,11,12,13. Sin embargo, las impurezas resultantes de la remoción imperfecta de los catalizadores metálicos y el PMMA (poli(2-metilpropenoato de metilo)), que se requiere para los procesos de transferencia, dificultan el uso de este material para la producción de alto volumen mientras se cumplen los estándares de semiconductores14,15. Por lo tanto, el interés de la investigación actual se centra en el crecimiento directo de grafeno sobre sustratos aislantes compatibles con la tecnología de silicio como α-Al2O3 (0001)16,17,18,19,20. Este sustrato estándar en tecnología de semiconductores compuestos garantiza la disponibilidad de grandes volúmenes de obleas de gran diámetro con la calidad requerida a un costo razonable21. Además, la constante de red del plano c del zafiro, 0,476 nm, es casi el doble que la del grafeno (2 × 0,247 nm)22. Estudios recientes han demostrado la idoneidad de las obleas de zafiro c-plane para la CVD directa de SLG17,23,24 de alta calidad y la ampliación a sustratos de 150 mm de diámetro utilizando un reactor a escala de producción (AIXTRON CCS 2D)25. Desde los primeros informes de crecimiento directo de SLG en zafiro, la alineación de SLG en diferentes superficies de zafiro ha sido objeto de varias investigaciones. Entani et al. y Dou et al. informó una fuerte interacción interfacial entre el grafeno y α-Al2O3 (0001) dominada por fuerzas electrostáticas en el sistema π del grafeno y electrones insaturados de la capa de oxígeno de la superficie α-Al2O3 (0001) que forman un enlace interfacial C–O–Al26, 27 Por el contrario, Saito et al. y Ueda et al. descubrió que el crecimiento del grafeno en el zafiro del plano c comienza a partir de hoyos de grabado formados durante el proceso de CVD. La superficie rica en Al dentro de las fosas juega un papel central en la actividad catalítica para el crecimiento de SLG28,29. Esta afirmación también está respaldada por el trabajo de Mishra et al. y Chen et al., quienes obtuvieron CVD SLG de alta calidad para α-Al2O3 (0001) tratado en atmósfera de hidrógeno previo a la deposición de grafeno a altas temperaturas de 1180 °C y 1400 °C, respectivamente20,25. Se informaron valores de movilidad del portador a temperatura ambiente de más de 2000 cm2/Vs y 6000 cm2/Vs. En contraste con SLG cultivadas en obleas no tratadas, estas películas exhibieron una menor densidad de crestas, terrazas atómicas bien definidas y una calidad cristalina mejorada con un ancho completo promedio a la mitad del máximo (FWHM) del modo Raman 2D de aproximadamente 30 cm-1 a 35 cm−1. Las relaciones de intensidad D/G baja y 2D/G alta de alrededor de 0,15 y muy por encima de 2, respectivamente, indican una baja densidad de defectos y una concentración de portadores en el rango inferior de 1012 cm−225. Sin embargo, el creciente interés en el uso de CVD SLG en α-Al2O3 hidratado (0001) para realizar dispositivos electrónicos a nanoescala para la próxima generación de electrónica, optoelectrónica, computación cuántica y neuromórfica, requiere una comprensión fisicoquímica más detallada de las propiedades electrónicas de SLG/zafiro. hasta la escala atómica30,31,32. En particular, la superficie de energía potencial del SLG en la pila de zafiro afecta tanto la interfaz con las capas depositadas posteriormente de 2DM con hibridación sp2, como h-BN y los dicalcogenuros de metales de transición, como las propiedades características de los dispositivos funcionales, como la confiabilidad, la resistencia y la retención.

Por lo tanto, este estudio se centra en el análisis de las propiedades de transporte electrónico local de CVD SLG en α-Al2O3 (0001) proporcionado por AIXTRON SE. La espectroscopia Raman y el mapeo Raman se combinaron con microscopía electrónica de barrido (SEM), microscopía de fuerza atómica conductiva (c-AFM) y mediciones de Hall en geometría de van der Pauw realizadas mediante contactos de oro depositados en vapor. La caracterización química de la superficie se realizó mediante espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS). Las propiedades electrónicas a nivel atómico se analizaron mediante microscopía de túnel de barrido (STM) y espectroscopía (STS). La combinación de análisis a micro y nanoescala proporcionó una comprensión más profunda de las variaciones locales en las interacciones SLG/zafiro y el enlace electrostático débil que controla las propiedades electrónicas del sistema. Una comparación con resultados publicados previamente de cálculos de principios avanzados33 complementa el estudio.

SLG se depositó en zafiro del plano c con un recorte de 0,2° (SLG/ α-Al2O3 (0001)) en un sistema AIXTRON CCS 2D en configuración de 19 × 2″. El proceso de depósito fue esencialmente similar al descrito en la Ref.25. En un paso de prehorneado, los sustratos de zafiro se grabaron en atmósfera de H2 a 1400 °C durante 10 min. Esto fue seguido por la deposición de grafeno a 1460 °C durante 500 s usando una mezcla de CH4/H2 en atmósfera de N2 a 700 mbar. Las obleas de SLG/α-Al2O3 (0001) se cortaron en trozos más pequeños y, posteriormente, se almacenaron al vacío o bajo gas inerte para su posterior análisis. El transporte de las muestras o troceados entre las diferentes instalaciones de medida o almacenamiento se realizaba en cajas cerradas. No se realizó ningún tratamiento adicional antes de la medición.

La espectroscopia µ-Raman en modo mapeo se realizó a temperatura ambiente utilizando el microscopio confocal Raman XploRA™ Plus de Horiba equipado con un láser de estado sólido con una longitud de onda de 532 nm a 8 mW. La línea láser se enfocó en la muestra con una lente de objetivo de microscopio de 100 ×, lo que dio como resultado un tamaño de punto de aproximadamente 0,5 µm. La luz recogida se dispersó a través de una rejilla con 1200 ranuras/mm. Los mapeos se realizaron con un tiempo de exposición de 2 s, un tiempo de acumulación de 2 s y un tamaño de paso de 0,4 µm. Los datos se procesaron utilizando el software de suite espectroscópica LabSpec 6 de HORIBA. Primero, se realiza una sustracción de la línea de base, luego la posición del pico se determina por el máximo del pico. Las relaciones de intensidad se calculan a partir de los valores de intensidad máxima y los valores de FWHM se determinan a la mitad de la intensidad máxima. La comparación con el ajuste lorentziano de los picos proporciona valores comparables teniendo en cuenta los rangos de error. Las mediciones de XPS se realizaron con un VersaProbe 5000 de Physical Electronics. Se utilizó radiación monocromática Al Kα con una energía de excitación de 1486,6 eV y un diámetro de haz de 100 µm. Las escalas de energía de unión de los espectros XPS se calibraron al pico C 1s y al pico Al 2p a 285 eV y 74,1 eV, respectivamente. Los escaneos de inspección y los espectros a nivel del núcleo de Al 2p, O 1s y C 1s se registraron en el modo de baja potencia a 25 W con un diámetro de punto de rayos X de aproximadamente 100 µm. Para compensar los efectos de carga, la neutralización de electrones se realizó con una corriente de emisión del neutralizador de 20 µA y una polarización del neutralizador de 1,37 eV. Los escaneos de encuesta se realizaron con una energía de paso de 187 eV. Los escaneos de alta resolución medidos en un ángulo de despegue de 45° y una energía de paso de 11,75 eV se utilizaron para realizar el análisis cuantitativo. Los espectros se analizaron con el software CasaXPS, Versión 2.3.23PR1.0. Para los análisis de nivel central de XPS, se restó un perfil de fondo de Shirley de todos los espectros de nivel central. El pico C sp2 se ajustó en CasaXPS con una forma de pico asimétrica definida como A (0,4, 0,38, 20) GL (20) mientras que todos los demás componentes se ajustaron mediante formas de pico simétricas como GL (30). Las muestras se almacenaron en nitrógeno para minimizar la exposición atmosférica. El tipo de soporte, la movilidad y la densidad de la hoja se obtuvieron a partir de mediciones de efecto Hall a temperatura ambiente y un campo magnético de 0,2 T usando un sistema de medición de efecto Hall LakeShore 8404 AC/DC. Las muestras de SLG/zafiro se cortaron en piezas de 10 mm × 10 mm y se pusieron en contacto con almohadillas de metal Pt en geometría convencional de van der Pauw. Las imágenes SEM se adquirieron con un Hitachi SU8000 que funcionaba con un voltaje de aceleración de 0,5 kV y una presión de cámara de entre 10 y 7 mbar. El SLG se conectó a tierra durante estas mediciones SEM. Para las mediciones de c-AFM y STM, se colocó una pieza más pequeña de la muestra (máx. 10 × 10 mm2) en un portamuestras Omicron. Se usaron dos pequeñas láminas de metal para fijar la muestra y hacer un contacto conductor con el SLG que sirvió como contacto posterior. Las mediciones de AFM y c-AFM se ejecutaron en condiciones ambientales. Las mediciones de AFM y c-AFM se realizaron en modos de toque y contacto en un Cypher AFM (Asylum Research) con sondas AFM comerciales (Nanosensors™). Las mediciones de STM y STS se realizaron utilizando un STM de baja temperatura (LT) de CreaTec Fischer. El STM se operó en vacío ultraalto (UHV) con una presión de cámara inferior a 10-10 mbar a 4,2 K utilizando puntas W grabadas electroquímicamente hechas a medida. A menos que se especifique lo contrario, se usaron las configuraciones de los siguientes sistemas: las mediciones de STM se realizaron con un voltaje de polarización aplicado de 2,3 V y una corriente de punto de referencia de 0,23 nA en modo de corriente constante. Las mediciones de STS se realizaron en el rango de + 1,0 a -1,0 V con el circuito de retroalimentación apagado. La corriente de túnel diferencial se determinó utilizando un amplificador lock-in interno que funciona a 473 Hz y una amplitud de 80 mV. Las imágenes STM se corrigieron en el plano usando el software analítico SPIP™ de Image Metrology A/S, con un filtro de ruido opcional.

La estructura de la muestra se describe en el recuadro de la Fig. 1. Los datos de espectroscopia Raman representativos se extrajeron de las mediciones de mapeo Raman en las que se escanearon diferentes áreas de 10 µm × 10 µm de tamaño con un tamaño de punto en la superficie de aproximadamente 500 nm y un distancia entre las medidas de 400 nm. Las asignaciones de Raman y los espectros adicionales se muestran en la Fig. S1 de la Información complementaria. Todos los espectros de la Fig. 1 contienen los principales picos de grafeno: D, G y 2D34,35. Los valores característicos como las posiciones de los picos G y 2D, ΔωG y Δω2D, respectivamente, el ancho total a la mitad del máximo (FWHMG y FWHM2D) y las relaciones de intensidad I2D/IG e ID/IG se muestran en la Tabla 1. El ajuste de curvas de los picos 2D muestra que tienen una forma de Lorentz simple. La relación de intensidad I2D/IG se puede utilizar para estimar cualitativamente si la película de grafeno analizada es SLG o grafeno multicapa. Es notable que la relación de intensidad depende de la configuración de Raman, especialmente de la longitud de onda del láser y de la rejilla elegida35,36. Las posiciones de los picos y FWHM dependen del número de capas, pero también de la densidad de los defectos y de los efectos de la deformación37.

Mediciones Raman de SLG en zafiro grabado con H2. Los tres espectros característicos están relacionados con diferentes posiciones locales seleccionadas arbitrariamente a partir de mapeos Raman. Los valores característicos obtenidos de cada espectro se resumen en la Tabla 1. La estructura de la muestra se esboza en el recuadro (Adobe Photoshop Versión 13.0, Adobe Illustrator CS6 Versión 16.0; ambos: http://www.adobe.com).

Además, la relación de intensidad D/G está recíprocamente relacionada con la concentración de defecto de SLG y también se correlaciona con el tamaño de grano38. Los valores de ID/IG en el rango de 0,2 indican una densidad de defectos moderada en nuestras muestras23,39. Las líneas verticales delgadas en la Fig. 1 muestran las posiciones de los picos G y 2D para el grafeno independiente en 1579 cm−1 y 2673 cm−1, respectivamente40. Un ligero desplazamiento de los picos a valores más altos, correspondientes a un desplazamiento hacia el azul, indica una tensión de compresión menor, probablemente inducida durante el enfriamiento desde la temperatura de deposición37. Dado que los coeficientes de expansión térmica del grafeno y el zafiro son diferentes en todo el rango de temperatura (negativo para el grafeno y positivo para el zafiro), se induce una tensión de compresión lateral en la capa de grafeno durante el enfriamiento41,42,43.

Aunque la resolución lateral del mapeo aún es moderada a menos de 500 nm, existe una clara falta de homogeneidad local en la calidad de la capa de grafeno, de acuerdo con el informe de Neumann et al.37. La Figura 1 muestra espectros de ejemplo sobre el rango de posibles variaciones, y los valores característicos correspondientes se dan en la Tabla 1. Se obtienen tres tipos principales de espectros Raman: (1) la curva negra muestra la presencia de grafeno multicapa con una relación de intensidad de I2D /IG < 2. Además, el ancho de línea del pico 2D es muy amplio en la región de 53 cm−1, pero las posiciones del pico casi o corresponden al grafeno independiente. (2) El espectro rojo cumple con los criterios SLG considerando I2D/IG > 2 y muestra los anchos de pico más pequeños de todas las curvas con valores FWHM de alrededor de 16 cm−1 y 35 cm−1 para los picos G y 2D, respectivamente. (3) El espectro azul también cumple con los criterios SLG, pero muestra un cambio azul significativo en las posiciones de pico G y 2 en comparación con el grafeno independiente, lo que puede atribuirse a un efecto de tensión de compresión. La relación ID/IG de la curva azul aumenta ligeramente en comparación con la curva roja, lo que es consistente con una influencia de la tensión además de los defectos del proceso de crecimiento. En comparación con los resultados de Tsoukleri et al.44, que sometieron una monocapa de grafeno a tensión de tracción y compresión, el desplazamiento máximo obtenido de la curva azul podría atribuirse a una tensión de compresión local de alrededor del 0,3 %. A pesar de la resolución lateral limitada de las mediciones Raman, el mapeo evidencia diferencias locales en la calidad de la capa de grafeno, predominantemente SLG, cultivada en el sustrato de zafiro por CVD. Las mediciones de Van der Pauw realizadas en muestras de aproximadamente 10 mm × 10 mm de tamaño muestran una ligera conducción general de tipo p de la SLG con una movilidad a temperatura ambiente de (1500 ± 100) cm2/Vs y una concentración de soporte de hoja de aproximadamente 2,22 × 1012 cm−2, que se encuentran en un rango razonable en comparación con el rango de la literatura, desde valores sobresalientes de aproximadamente 6000 cm2/Vs20 hasta valores comúnmente informados para grafeno CVD en sustratos dieléctricos, típicamente por debajo de 1000 cm2/Vs45. Parece que la superficie de α-Al2O3 (0001) grabada con H2 tiene un efecto menor sobre las propiedades electrónicas de SLG que otros sustratos dieléctricos.

Para caracterizar químicamente la superficie de grafeno y la interfaz grafeno/sustrato con más detalle, se realizaron mediciones XPS. Se registraron escaneos de inspección y espectros de nivel de núcleo de Al 2p, O 1s y C 1s para un sustrato de zafiro sin tratar, para una muestra de α-Al2O3 (0001) después de precocer en hidrógeno a 1400 °C durante 10 min, y para el SLG/zafiro muestra. Para el análisis de los sustratos de zafiro sin tratar y precocido, la escala de energía se calibró utilizando la señal C 1s del carbono adsorbido a 285,0 eV. Debido a la superposición de las señales de C 1s de las especies de carbono adsorbidas y la capa de grafeno para las muestras de SLG/zafiro, la escala de energía se calibró con respecto al pico Al 2p de Al2O3 a una energía de enlace de 74,1 eV46. La Figura S2a resume los escaneos de inspección del α-Al2O3 original (0001), la superficie de zafiro precocida con H2 y las muestras de SLG/zafiro como líneas negras, azules y rojas, respectivamente. Para todos los escaneos, solo se observan picos atribuibles al oxígeno, el carbono y el aluminio. No se ven otros picos como los de las impurezas. Los espectros de nivel de núcleo de Al 2p, O 1s y C 1s del sustrato de zafiro en el estado sin tratar y precocido con H2 se muestran en la Fig. S2b-g. Las Figuras 2a-c muestran los espectros de nivel de núcleo respectivos de la muestra de SLG/zafiro. Los espectros se analizaron con el software CasaXPS, Versión 2.3.23PR1.0. Se restó un perfil de fondo de Shirley (línea negra) de todos los espectros de nivel central. Los componentes se ajustaron en CasaXPS con formas de pico simétricas como GL (30), excepto el pico C sp2 que se ajustó con una forma de pico asimétrica como A (0,4, 0,38, 20) GL(20)47. Las energías y anchos máximos (FWHM) de los componentes químicos ajustados a los espectros se enumeran en la Tabla S2 de la Información complementaria y en la Tabla 2 para la muestra de SLG/zafiro. Para el sustrato de zafiro prístino (Fig. S2b-d), los espectros del nivel del núcleo se pueden ajustar por completo mediante el carbono adsorbido, lo que da como resultado un pico C 1s a 285,0 eV y un componente C=O en el espectro O 1s a 532,3 eV. El pico de Al 2p a 74,1 eV y el pico de O 1s a 530,8 eV se atribuyen al Al2O348. Después de la cocción previa a 1400 °C en H2, aparecen picos adicionales en los espectros de Al 2p y O 1s a aproximadamente 74,8 eV y 531,5 eV, respectivamente (Fig. S2e,f), que se atribuyen a las especies Al-OH48. La dependencia de su intensidad del ángulo de despegue confirma una posición cercana a la superficie.

Espectros a nivel del núcleo de SLG en zafiro grabado con H2 para un ángulo de despegue de 45° y una energía de paso de 11,75 eV: (a,b) muestran los espectros de Al 2p y O 1s, que están esencialmente relacionados con la superficie del zafiro ; (c) muestra el espectro de C 1s que se origina en la capa de grafeno y las especies de carbono adsorbidas; el recuadro muestra la ampliación. Los puntos negros muestran los datos sin procesar, las líneas azul acero muestran las envolventes de los componentes ajustados y las líneas negras muestran los fondos de Shirley sustraídos. Para el ajuste se utilizan los siguientes componentes: (Al–OH)* en azul, Al–OH en rojo, Al2O3 en verde, C=O en marrón, π–π* en naranja, C sp3 en gris y C sp2 en violeta . Los detalles se resumen en la Tabla 2.

Los espectros de los niveles de núcleo de Al 2p y O 1s también se consideran indicadores del estado químico de la superficie de zafiro grabada con H2 después del recubrimiento con SLG. Las Figuras 2a,b muestran la presencia de grupos Al2O3 y grupos Al-OH en la interfaz identificada por picos en las energías de unión observadas para la superficie de zafiro sin tratar y precocida con H2. Los espectros de nivel del núcleo Al 2p y O 1s dan la misma relación de las dos intensidades máximas [Al–OH]/[Al2O3] de aproximadamente 0,38 a un ángulo de despegue de 45°. Sin embargo, deben introducirse picos adicionales con energías de enlace más altas en comparación con Al-OH para ajustarse a los espectros medidos. Se determina que las energías de enlace de este componente adicional (Al–OH)* son 75,9 eV y 532,5 eV para Al 2p y O 1s, respectivamente. De nuevo, la relación de las intensidades de los picos [(Al–OH)*]/[Al2O3] para los dos espectros de nivel de núcleo es constante con un valor de aproximadamente 0,55 a un ángulo de despegue de 45°. La aparición de dos componentes de interfaz, Al-OH y (Al-OH)*, con diferentes energías de unión podría indicar falta de homogeneidad local en la interacción SLG/zafiro. El aumento de la energía de unión del componente (Al–OH)* en comparación con los valores de la literatura para Al–OH indica la formación de enlaces de hidrógeno. La señal C=O es más fuerte en un ángulo del analizador de 63°, lo que indica especies de superficie. El espectro de nivel central C 1s en la Fig. 2c está compuesto por señales C sp3 y C sp2 como las especies principales. La especie C sp2 y la firma clara del pico π–π* (sacudida) a una energía de enlace de alrededor de 290,5 eV (ver recuadro en la Fig. 2c) demuestran la existencia de grafeno en la superficie α-Al2O349. La determinación del componente de carbono C sp3 a una energía de unión ligeramente mayor, alrededor de 285,0 eV, es el resultado del acoplamiento de SLG con grupos funcionales vecinos y una indicación de la interacción con el zafiro grabado con H250,51. La relación [C sp3]/[C sp2] es casi constante en aproximadamente (0,44 ± 0,01), independientemente del ángulo del analizador.

Las imágenes AFM de área grande (Fig. 3a) muestran una morfología homogénea. Solo se observan bordes escalonados de zafiro y arrugas capilares (Información de apoyo, Fig. S3). El α-Al2O3 (0001) exhibe dos tipos de bordes escalonados, los más pequeños con una altura de paso de 0,21 nm ± 0,01 nm, característicos de los escalones monoatómicos de α-Al2O3 (0001) (1/6 c = 0,217 nm) entre dos capas de oxígeno, y los mayores con una altura de paso de 1,30 nm ± 0,01 nm correspondiente a la altura de la celda unitaria (c = 1,299 nm) o un múltiplo de la misma22,52. Un paso de celda unitaria está marcado en el perfil de altura de la Fig. 3c. Sorprendentemente, no se pudieron registrar bordes escalonados correspondientes al espaciado entre capas de grafeno de 0,33 nm en ninguna de las mediciones, lo que nuevamente indica cobertura de SLG en toda la oblea53,54. La altura de las arrugas observadas oscila entre 0,2 nm y 0,6 nm, y se obtuvo una rugosidad cuadrática media (RMS) de (38 ± 2) pm para áreas de 1 µm2, incluidos los bordes escalonados de zafiro.

Mediciones AFM y SEM de SLG en α-Al2O3 (0001). (a) Imagen AFM de área grande que muestra los bordes de los escalones de zafiro. (b) Imagen de mayor resolución del área marcada en (a) (cuadrado verde) que muestra un escalón de α-Al2O3 (0001) y arrugas cerca de los bordes del escalón. (c) Sección transversal promediada sobre varias líneas a lo largo de la barra azul en (b) que muestra un borde escalonado de zafiro de aproximadamente 1,29 nm. Cerca del borde del escalón, el SLG se eleva de 120 pm a 130 pm desde la terraza. ( d ) Imagen de fase correspondiente a ( a ). (e) imagen SEM. (f) Esquema de la delaminación cerca de los bordes escalonados del zafiro. Se pueden ver dos regiones SLG, una en terrazas planas de zafiro y la otra en la vecindad de los bordes de los escalones de zafiro; están etiquetados como GI y G-II, respectivamente, en (b)–(f).

Otra característica que aparece en las imágenes AFM de alta resolución es una variación en la altura de la superficie SLG con respecto a la superficie de zafiro (Fig. 3b, c). Cabe mencionar que los valores RMS en las dos áreas etiquetadas como GI o G-II son (17 ± 2) pm. La distancia vertical entre SLG y α-Al2O3 (0001) medida en la entrada de terrazas planas de zafiro (ver Fig. 3b), es aproximadamente 0,12 nm ± 0,01 nm menor en las áreas más oscuras (GI) que en las áreas más claras (G- II) a lo largo de los bordes de los escalones de zafiro. La región G-II también incluye las arrugas que se muestran esquemáticamente en la Fig. 3f. Obviamente, SLG se desprende de la superficie de zafiro cerca de los bordes de los escalones y sigue la estructura de la superficie en las terrazas de zafiro. También es probable que las arrugas se originen por la liberación de tensión y complementen la deslaminación de la película SLG17. Junto con los datos de Raman que indican una deformación localmente no homogénea, surge una imagen coherente de la liberación de deformación por deslaminación en los bordes escalonados de α-Al2O3 (0001). La altura de estos bordes escalonados puede ser tan baja como 0,22 nm pero puede aumentar a más de 4,0 nm (Fig. S3b). Por lo tanto, concluimos que la estructura del grafeno en la región GI, es decir, el grafeno adsorbido en α-Al2O3 (0001) en la región de la terraza, es energéticamente favorable en comparación con la estructura de grafeno/zafiro deslaminado cerca de los bordes escalonados (G-II ). Sin embargo, este último permite la liberación de tensiones y es necesario para permitir la formación de la estructura GI preferida también en las siguientes terrazas. Este tema se discutirá más adelante junto con los resultados del análisis STM/STS.

Una imagen de contraste de fase AFM tomada en modo tapping proporciona más información (consulte la Fig. 3d). Aquí, los regímenes SLG GI y G-II también aparecen con diferente brillo, lo que indica diferentes interacciones punta-grafeno en las terrazas planas de zafiro y en las regiones cercanas a los bordes escalonados de zafiro. Además, las imágenes SEM en la Fig. 3e muestran claramente los dos regímenes SLG diferentes a pesar de su pequeña diferencia de altura. Sin embargo, las regiones más brillantes en las imágenes SEM indican una mayor densidad de electrones55, lo que sugiere que las regiones G-II de SLG a lo largo de los bordes de los escalones tienen una densidad de portadores más alta que las regiones GI de SLG, que están más unidas en la entrada de las terrazas de zafiro. Además, el análisis SEM nos permitió obtener imágenes de estas características morfológicas específicas en escalas de mayor longitud y en múltiples posiciones en la oblea (cf. Información de apoyo, Fig. S4). El efecto de la diferente conductividad se investigó más a fondo utilizando c-AFM.

Los resultados de c-AFM que se muestran en la Fig. 4 permiten una correlación directa de las propiedades topográficas y electrónicas con especial atención a las dos regiones SLG, que muestran interacciones significativamente diferentes con la superficie de zafiro.

Mediciones de c-AFM. (a) Imagen de topografía y (b) mapa de conductividad de la misma sección de muestra. (c) Perfiles de altura (azul) y corriente (negro) a lo largo de las barras indicadas en (a) y (b).

Comparación de las Figs. 4a yb muestra que la conductividad de la SLG no cambia abruptamente en los bordes del escalón de zafiro, pero generalmente a una distancia de 30 a 80 nm antes o después del borde del escalón. Los escaneos de línea en la Fig. 4c muestran que la conductividad en el grafeno separado (G-II) lacado cerca del borde del escalón de zafiro es casi cuatro veces mayor que la conductividad del SLG unido a las terrazas de zafiro (GI).

Se han informado en la literatura interacciones electrostáticas relativamente fuertes entre SLG y la superficie de α-Al2O3 (0001) terminada en oxígeno, lo que da como resultado un espacio entre capas de 0,26 nm26. Por otro lado, los estudios teóricos de SLG en la superficie α-Al2O3 (0001) terminada en Al muestran interacciones de dispersión más débiles y una separación entre capas de 0,31 nm24,26. Es importante destacar que una separación vertical de 0,338 nm para el sistema SLG/Ir(111) y de 0,215 nm para SLG/Ni(111) indica interacciones débiles de van der Waals y covalentes, respectivamente56,57. Las fuertes interacciones electrostáticas entre SLG y α-Al2O3 (0001) resultan del sistema deslocalizado de electrones π de SLG que interactúa con los enlaces colgantes de la superficie de α-Al2O3 (0001). Estos enlaces colgantes, ubicados en los átomos de oxígeno superiores, inducen el dopaje de tipo p de SLG26. Debido a esta interacción entre las capas, se espera una disminución en la movilidad de los electrones. Sin embargo, encontramos que la distancia vertical SLG/α-Al2O3 (0001) aumenta en 0,12 nm cerca de los bordes escalonados del zafiro. Suponiendo un valor mínimo de 0,26 nm para la distancia interfacial en las terrazas, esto daría como resultado una distancia de 0,38 nm (= 0,26 nm + 0,12 nm) en los bordes de los escalones. Esto es significativamente mayor que el espacio entre capas de grafito (0,336 nm), lo que indica la deslaminación de la SLG en esta región. La delaminación también explica la conductividad cuatro veces mayor en las regiones del borde del zafiro en comparación con las regiones de la terraza de α-Al2O3, donde la movilidad de los electrones se reduce debido a las interacciones entre capas. En consecuencia, SLG en el régimen G-II se considera como grafeno 'casi independiente' en lo siguiente.

Se derivó información más detallada sobre la estructura de la superficie de nuestras muestras a partir de mediciones LT-UHV-STM. El lado derecho de la Fig. 5a, ampliado en la Fig. 5c, corresponde a SLG cerca de un borde escalonado de zafiro (G-II), y la estructura resuelta atómicamente (recuadro) se asemeja a un patrón de panal característico de una capa de grafeno independiente. Aquí, los sitios A y B de las subredes de grafeno tienen una altura aparente equivalente. Las variaciones de contraste son provocadas por fluctuaciones potenciales que se originan en la mezcla orbital π–π habilitada por ondulaciones y bordes escalonados58. La falta de homogeneidad de carga resultante se distribuye aleatoriamente. El lado izquierdo de la Fig. 5a, ampliada en la Fig. 5b, muestra SLG adsorbida en una terraza de zafiro (GI), que tiene una estructura periódica. Además, la estructura resuelta atómicamente (recuadro de la Fig. 5b) muestra una ligera apariencia triangular, lo que indica una interacción grafeno/sustrato más fuerte en la región GI en comparación con G-II. A partir de la literatura, las distintas apariencias triangulares y la rotura de la simetría de la red de grafeno, indicadas por alturas aparentes desiguales de las subredes A y B, caracterizan los sistemas que interactúan fuertemente como las interfaces SLG/grafito o SLG/metal59,60. La superestructura de SLG en el régimen GI tiene un período entre 2,64 nm y 2,68 nm, con la mayoría de los pandeos con una altura aparente de aproximadamente 45 pm y solo unos pocos pandeos, que se muestran como regiones más brillantes en la Fig. 5b, con alturas aparentes en el rango 110 pm–150 pm25. La estructura de hebilla se gira 27° ± 1° en comparación con la estructura de panal atómico de SLG (análisis de patrón muaré en Información de apoyo, Fig. S5). Este patrón muaré que se origina en un ángulo de torsión entre SLG y la superficie α-Al2O3 (0001), es consistente con las supercélulas propuestas para el zafiro terminado en Al y, en particular, con los datos informados por Mishra et al. que utilizó un método de depósito comparable para SLG24,25.

Mediciones LT-UHV-STM. ( a ) Descripción general de las dos regiones diferentes de grafeno. (b) Imagen de alta resolución de GI que muestra una superestructura. Recuadro (1,2 × 1,4) nm2: estructura de grafeno resuelta atómicamente. (c) G-II corresponde a la SLG casi independiente con fluctuaciones aleatorias en la altura aparente. Recuadro: estructura de nido de abeja resuelta atómicamente de SLG (1,2 × 1,4) nm2. (d, e) Perfiles de altura aparente a lo largo de las líneas indicadas en (b) y (c), respectivamente.

Por lo tanto, encontramos que la diferencia de altura de 120 pm y la diferencia de conductancia entre GI y G-II, que determinamos mediante AFM y c-AFM, y que atribuimos a un diferente acoplamiento entre capas de grafeno con el α-Al2O3 subyacente ( 0001) en las dos regiones, también son visibles en el análisis STM. Mientras que G-II exhibe las características de una capa de grafeno independiente, un patrón de panal y fluctuaciones aleatorias de contraste, GI muestra signos de acoplamiento entre capas, es decir, una apariencia triangular del patrón de grafeno y una superestructura (Fig. 5). Medimos una diferencia de altura aparente entre las dos regiones de grafeno de 160 pm en nuestro STM, lo que apunta a una conductividad aproximadamente tres veces mayor de G-II en comparación con GI, considerando las diferencias de altura reales medidas en AFM. Se observó un comportamiento comparable con el mismo cambio de propiedades para los copos de grafeno adsorbidos en grafito61. En este caso, la diferencia de altura entre el grafeno acoplado y el grafeno independiente fue de 100 pm.

Claramente observamos diferencias en el mecanismo de unión en las terrazas planas y cerca de los bordes escalonados de la misma muestra que conducen a diferentes propiedades electrónicas en las respectivas regiones. Estos resultados tienen una importancia obvia para el diseño de dispositivos que utilizan SLG/zafiro como la pila de sustrato/electrodo inferior. Por lo tanto, las propiedades electrónicas locales de nuestra interfaz SLG/α-Al2O3 (0001) se investigaron con más detalle utilizando STS (Fig. 6). En particular, las mediciones se realizaron a lo largo de una línea en el límite entre G-II, que es grafeno casi libre, y GI, que tiene una interacción más fuerte con el zafiro, como lo indica la superestructura formada. Los espectros de conductancia y conductancia diferencial comenzaron en G-II, cruzaron una región de transición y alcanzaron GI (ver también Fig. 7a). Se realizaron en cada punto de la línea (15 puntos) con distintas corrientes de consigna de 0,11 nA, 0,22 nA, 0,35 nA, 0,51 nA y 0,64 nA definiendo diferentes distancias punta-superficie del STM. El conjunto completo de espectros de conductividad diferencial se puede encontrar en Información de apoyo (Fig. S4), mientras que en la Fig. 6, se traza un conjunto seleccionado de espectros normalizados (dI/dV)/(I/V) para mostrar las características principales. Las curvas de STS en la Fig. 6 se trazan en tres puntos diferentes, en G-II, en la región de transición entre G-II y GI, y en GI, para tres corrientes de punto de referencia representativas de 0,22 nA, 0,35 nA y 0,51 nA. .

Mediciones de conductancia diferencial normalizadas a tres distancias de punta W: SLG/α-Al2O3 (0001) controladas por corrientes de punto de referencia (0,22 nA, 0,35 nA y 0,51 nA correspondientes a las curvas azul, roja y negra, respectivamente, en Vbias = 1,0 V ). (a) Región G-II cerca del borde del escalón. (b) Región de transición entre G-II y GI. (c) Región GI en la terraza de zafiro. Un cambio de punto de Dirac a medida que se acerca a la punta se indica mediante la línea vertical discontinua. (d) Diagrama del cono de Dirac marcado en (a). ( e ) Gráfico de la apertura de banda prohibida inducida por sustrato marcada en ( b ).

Características STS a lo largo de una línea que cruza diferentes regiones SLG desde el régimen G-II a la izquierda hasta el régimen GI a la derecha. (a) Imagen STM (Vbias = 1,0 V, Iset = 0,4 nA) de las dos regiones SLG diferentes que marcan las 15 posiciones de medición STS. (b) Puntos de Dirac dependientes de la posición (cruz) y picos STS principales (círculo) para Iset = 0,22 nA (azul) e Iset = 0,35 nA (rojo). ( c ) Puntos de Dirac dependientes de la posición (cruz), picos de fonones de electrones (cuadrado) y picos de singularidad de Van Hove (triángulo) (Iset = 0.22 nA).

La densidad local de estados (LDOS) en el grafeno es muy sensible incluso a las pequeñas perturbaciones ambientales, como el acoplamiento electrostático con el sustrato subyacente, los efectos de las ondas y los defectos, o simplemente una punta que se aproxima59,62. Todos estos efectos conducen a peculiaridades en la dependencia del sesgo de la conductancia diferencial, que está directamente relacionada con el DOS local. En las curvas (dI/dV)/(I/V) obtenidas para G-II (Fig. 6a), aparecen dos características principales para la mayor distancia punta-muestra (Iset = 0,22 nA) a (− 0,52 ± 0,03) V y (+ 0,36 ± 0,04) V, respectivamente. Corresponden a interacciones punta-grafeno que aumentan en intensidad con el aumento de la corriente del punto de referencia, es decir, con la disminución de la distancia entre la punta y la muestra63. En la Fig. 6d, el mínimo del punto de Dirac en forma de V identificado en la conductancia diferencial de G-II se puede discernir en VDII = (15 ± 7) mV (Iset = 0,22 nA), lo que indica un dopaje p débil, lo cual es consistente con los resultados de nuestras mediciones de van der Pauw. Sin embargo, este cambio de punto de Dirac depende en gran medida del material de la punta, en particular, la diferencia en la función de trabajo entre el material de la punta y el grafeno, la geometría de la punta y la distancia entre la punta y la muestra62,63,64. A medida que la punta se acerca a la muestra, observamos un cambio del punto de Dirac y todo el espectro STS a valores negativos, ΔVDII = (-155 ± 13) mV (indicado por la línea negra vertical en la Fig. 6a). Este comportamiento es consistente con datos de la literatura63.

Los dos hombros que flanquean el punto de Dirac con una separación de aproximadamente (134 ± 24) mV, observados para G-II en las Figs. 6a, d y 7c, se atribuyen a interacciones electrón-fonón (e-ph) análogas a los estudios de grafeno en SiO2 o en grafito61,65. El acoplamiento de electrones de túnel con fonones inherentes al sustrato, aquí presumiblemente el fonón acústico fuera del plano del grafeno con una energía de aproximadamente 65 meV65, conduce a características en el LDOS a EF ± 65 meV que explican nuestras observaciones. El acoplamiento e-ph es característico del grafeno independiente y, por lo tanto, sugiere que, como máximo, una pequeña interacción de SLG y zafiro puede estar presente en G-II61,64,65. Cabe señalar que a medida que disminuye la distancia entre la punta y las muestras, las perturbaciones del LDOS se vuelven más pronunciadas, lo que afecta la forma y la observación del cono de Dirac.

Los datos de conductancia diferencial normalizados medidos en GI (Fig. 6c) muestran características significativamente diferentes en comparación con G-II. Las características principales ocurren alrededor de (− 0.75 ± 0.02) V y (+ 0.85 ± 0.03) V y se asignan a interacciones de la banda π de SLG con estados defectuosos de α-Al2O3 (0001). Se informa que estos estados de defectos muestran una separación de alrededor de 1,5 eV y varían localmente como se esperaba para superficies no uniformes66. Por lo tanto, las características principales en los espectros de conductancia diferencial en GI y G-II se deben a diferentes causas: banda π de SLG/estado defectuoso de α-Al2O3 e interacción SLG/punta, respectivamente. Esto también se refleja en el cambio de distancia entre las características principales de 1,60 V en GI y solo 0,88 V en G-II (Fig. 7b), lo que indica interacciones claramente diferentes de SLG con el sustrato de zafiro en las dos regiones. A medida que la punta W se acerca a GI (Iset = 0,22 nA, 0,35 nA, 0,51 nA), se observa un cambio del punto de Dirac de solo ΔVDI = (− 34 ± 14) mV (a voltajes negativos), que es significativamente menor en comparación con que en G-II. Esta es una consecuencia del acoplamiento mejorado de SLG al sustrato α-Al2O3 (0001). Cabe señalar que en Iset = 0,22 nA el punto de Dirac está en VDI = (16 ± 7) mV, lo que indica un dopaje de tipo p débil, mientras que en Iset = 0,51 nA el valor VDI = (− 18 ± 9) mV es el resultado de interacciones de la capa GI con la punta W y el sustrato α-Al2O3 (0001). Los puntos de Dirac de los regímenes GI y G-II para distancias grandes de punta/sustrato muestran ambos un ligero dopaje comparable.

La unión electrostática de SLG en la entrada de las terrazas de α-Al2O3 (0001) de manera epitaxial provoca una superestructura periódica acompañada de una influencia pronunciada en la estructura electrónica de GI. El acoplamiento periódico entre capas conduce a una ruptura de la simetría de la subred de grafeno y el ángulo de giro entre SLG y α-Al2O3 (0001) discutido anteriormente probablemente conduce a singularidades de Van Hove (VHS), es decir, máximos, en el LDOS de grafeno61. Estos aparecen en nuestras mediciones de STS en GI como picos a ambos lados del punto de Dirac (Fig. 6c) con una separación de aproximadamente ΔVHS = (301 ± 34) mV, lo que confirma la interacción de SLG con la superficie α-Al2O3 (0001). , ya que VHS, así como todas las demás pertubaciones de grafeno DOS con respecto al sustrato, solo se pueden observar en el caso del acoplamiento entre capas (más análisis en Información de apoyo).

Las curvas (dI/dV)/(I/V) representadas en la Fig. 6b se obtuvieron en el área de transición y muestran características tanto de G-II como de GI con intensidad variable. Curiosamente, la curva STS medida en Iset = 0,35 nA muestra una apertura de banda prohibida en el punto de Dirac de (87 ± 5) meV (Fig. 6b,e; valor medio de 6 mediciones: (73 ± 3) meV), que es observado como resultado de la interacción entre capas entre SLG y la superficie α-Al2O3 (0001)27,33,67. Tales aperturas de banda prohibida pueden ser tan grandes como 90 meV o 260 meV, como se informó para sustratos de SiO2 o SiC, respectivamente68,69. Sin embargo, aquí la brecha de banda solo es visible en ciertos puntos de ajuste actuales utilizados para STS y desaparece en valores más grandes y más pequeños68. Observamos esta dependencia del punto de consigna actual y, además, una dependencia local. La apertura de la brecha de banda se resuelve mejor en el último punto de medición en GI, donde termina la modulación periódica de la banda π pero la simetría de la subred aún se rompe. Como resultado, la intensidad del VHS disminuye y la interferencia con el resto de la banda prohibida es menor. La magnitud de la apertura de la brecha de banda determinada en este trabajo es bastante pequeña e indica una interacción menor entre GI y α-Al2O3 (0001). Sin embargo, concuerda bien con el valor de 84 meV derivado de cálculos avanzados de primer principio realizados por Huang et al. en el sistema grafeno/α-Al2O3 (0001)33. Sobre la base de sus cálculos, los autores propusieron dos estructuras con interfaces limpias. Estos son grafeno en α-Al2O3 terminado en Al (0001) y grafeno en α-Al2O3 completamente hidroxilado (0001) con una banda prohibida abierta de aproximadamente 182 meV y 84 meV, respectivamente. Por otro lado, los cálculos de Huang et al. predicen una fuerte interacción entre una superficie de zafiro terminada en O y la capa de grafeno, lo que lleva a estados de brecha resultantes de la hibridación entre el grafeno y los orbitales de oxígeno de la superficie33. Los enlaces Al-O-C fuertes, como se describe en Refs.26,27, pueden excluirse de nuestro sistema.

Los cambios en las propiedades electrónicas locales del grafeno que ocurren a lo largo de la línea de una región SLG a la otra se resumen en la Fig. 7. Aquí se muestran las posiciones de los picos a lo largo de la línea que cruza el límite entre G-II y GI determinadas a partir de la Análisis STS en 15 puntos de medición. La Fig. 7b muestra y compara las principales características de las curvas (dI/dV)/(I/V) para las corrientes de consigna de 0,22 nA y 0,35 nA, indicadas en color rojo y azul, respectivamente. Se puede observar claramente el cambio abrupto de las posiciones de los picos principales en la región de transición entre G-II y GI. Además, es evidente la clara dependencia del punto de Dirac de G-II y GI en la distancia de la punta a la superficie. Otra característica interesante, que se deduce mejor de la Fig. 7c, son las posiciones alternas de los picos VHS (régimen GI) y los picos en G_II resultantes del acoplamiento e-ph. Como se mencionó anteriormente, el acoplamiento e-ph solo se puede observar en una capa de grafeno (casi) desacoplada, mientras que VHS resulta de un acoplamiento de capas retorcidas. Por lo tanto, el origen de los picos alrededor de VD en GI y G-II es claramente diferente y apoya directamente la suposición de que GI corresponde a grafeno acoplado, mientras que G-II es casi independiente.

Los resultados del análisis exhaustivo del sistema SLG/α-Al2O3 (0001) obtenido a partir de un proceso CVD escalable mediante caracterización química superficial y análisis cuantitativo de la topografía local y estructura electrónica en comparación con estudios de grafeno sobre grafito y SiO2 y Las simulaciones de estructura derivadas de los cálculos del primer principio33,70 nos permiten identificar sin ambigüedades el acoplamiento entre capas de la interfaz SLG/α-Al2O3 (0001). Con base en los resultados del análisis XPS y (dI/dV)/(I/V), podemos excluir la superficie α-Al2O3 (0001) terminada en O y los fuertes enlaces Al-OC para nuestro sistema. Una comparación más detallada identifica SLG/α-Al2O3 hidroxilado (0001) como la interfaz más probable. Esto también está respaldado por la topografía plana observada para el SLG en las terrazas de zafiro y por la evidencia experimental de una apertura de banda prohibida en el SLG de alrededor de (73 ± 3) meV en el punto de Dirac. Esto está muy cerca del valor de alrededor de 84 meV calculado para la interfaz de grafeno y la superficie hidroxilada de α-Al2O3 (0001)33.

En resumen, los dibujos esquemáticos de la Fig. 8 presentan las estructuras SLG/α-Al2O3 hidroxilado (0001) más razonables para los dos regímenes de acuerdo con los resultados químicos y topográficos descritos hasta ahora. La terminación hidroxi parcial de la superficie de zafiro derivada del análisis XPS se incluye en los esquemas. El régimen SLG GI que se muestra en la Fig. 8a se caracteriza por la interacción del sistema de grafeno-π-electrón deslocalizado con la capa superior de zafiro, lo que lleva a enlaces de hidrógeno débiles del sistema de O–H…π-electrón33,71. En la región G-II cerca de los bordes del escalón, el espacio entre capas aumenta aún más, lo que da como resultado una SLG casi independiente, como se muestra en la Fig. 8b. En resumen, estas diferencias en el acoplamiento entre capas en la interfaz SLG/α-Al2O3 (0001) en las regiones GI y G-II explican nuestras observaciones topográficas y electrónicas experimentales. El modelo básico que se muestra en la Fig. 8 sirve como punto de partida para discutir los efectos del acoplamiento entre capas en las propiedades electrónicas de los dispositivos basados en grafeno y, además, materiales 2D apilados.

Ilustración de la interfaz SLG/α-Al2O3 (0001) en los regímenes GI y G-II (Blender Versión 2.93.1; http://www.blender.org). La estructura atómica de α-Al2O3 en el plano c se toma de Jain et al.72 (Al turquesa, O rojo) y se agrega una terminación hidroxilo propuesta (H azul) de acuerdo con la Ref.33. SLG se muestra en gris, el sistema de electrones π en verde. ( a ) Interacción del zafiro terminado en hidroxilo con SLG (región GI). (b) SLG 'casi independiente' (región G-II).

En resumen, hemos investigado las correlaciones locales entre las propiedades morfológicas, topográficas y electrónicas de SLG depositado en α-Al2O3 grabado con H2 (0001) aplicando varios métodos sensibles a la superficie como SEM, AFM, c-AFM en combinación con XPS y espectroscopia Raman. El SLG homogéneo del tamaño de una oblea que se origina a partir de un proceso CVD comercial, muestra falta de homogeneidad a nivel local en una concentración de defecto intermedia. Además, hemos identificado dos regiones de nuestras películas SLG con interacciones interfaciales SLG/α-Al2O3 (0001) significativamente diferentes. Característicamente, estas regiones están ubicadas en terrazas de zafiro oa lo largo de los bordes escalonados. Con base en una caracterización topográfica y electrónica resuelta atómicamente utilizando métodos STM/STS, se encontraron interacciones interfaciales débiles pero distintas en las terrazas de zafiro, que pueden atribuirse a enlaces de hidrógeno débiles entre el zafiro terminado en hidroxilo y el SLG. Estas a estructuras muaré formadas por un ángulo de giro entre la estructura hexagonal α-Al2O3 (0001) y la estructura hexagonal de grafeno. Se pudo detectar experimentalmente una apertura de banda prohibida en el SLG de aproximadamente (73 ± 3) meV en el punto de Dirac, que es consecuencia de la inyección de carga en la capa de grafeno. El valor absoluto está en buen acuerdo con una predicción de los cálculos de primer principio. En contraste, SLG cerca de los bordes de los escalones se considera casi independiente. Esta situación se puede describir como caminos conductores formados por la SLG independiente a lo largo de los bordes de los escalones de zafiro y la SLG en las terrazas de zafiro, que es menos conductora por un factor de 4. La interacción interfacial débil entre la SLG y el zafiro grabado con H2 permite para una alta movilidad del portador de carga que conduce a una alta conductividad de SLG/α-Al2O3 (0001). Creemos que estos resultados contribuyen a una mayor comprensión de la interfaz SLG/α-Al2O3 (0001) y son de particular interés para futuros conceptos de dispositivos basados en grafeno como capa de electrodo conductor con relación epitaxial al sustrato aislante de soporte.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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Los autores desean agradecer a René Borowski, Jochen Friedrich y Marcel Gerst por su asistencia técnica.

Este trabajo fue parcialmente financiado por el Ministerio Federal de Educación e Investigación de Alemania (BMBF) en los proyectos NEUROTEC (proyecto n.º 16ME0398K, 16ME0399 y 16ME0403) y NeuroSys (proyecto n.º 03ZU1106AB) y se basa en la Jülich Aachen Research Alliance (JARA -ADAPTAR). Financiamiento de acceso abierto habilitado y organizado por Projekt DEAL.

Instituto Peter Grünberg 7, Forschungszentrum Jülich GmbH y JARA-FIT, 52425, Jülich, Alemania

Henrik Wördenweber, Silvia Karthäuser, Zhaodong Wang, Stephan Außen y Rainer Waser

Instituto JARA Tecnología de la información energéticamente eficiente (TI verde y PGI-10), Forschungszentrum Jülich GmbH, 52425, Jülich, Alemania

Rainer Waser y Susanne Hoffmann-Eifert

Instituto de Materiales en Ingeniería Eléctrica y Tecnología de la Información II, RWTH Aachen University, 52074, Aachen, Alemania

Rainer Waser

Tecnología de semiconductores compuestos, RWTH Aachen University, 52074, Aachen, Alemania

Annika Grundmann, Holger Kalisch, Andrei Vescan y Michael Heuken

AIXTRON SE, 52134, Herzogenrath, Alemania

Michael Heuken

Universidad RWTH de Aquisgrán, 52066, Aquisgrán, Alemania

Henrik Wordenweber, Zhaodong Wang y Stephan Aussen

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HW realizó las mediciones de AFM, SEM, c-AFM, LT-UHV-STM y STS. HW y SK analizaron los datos y contribuyeron a la interpretación. AG, ZW y SA realizaron el análisis Raman y XPS y contribuyeron a la interpretación. MH proporcionó la muestra. SK SH y supervisó el estudio. Todos los autores discutieron los resultados y su interpretación. El manuscrito fue escrito a través de las contribuciones de todos los autores. Todos los autores han dado su aprobación a la versión final del manuscrito.

Correspondencia a Silvia Karthäuser o Susanne Hoffmann-Eifert.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Wördenweber, H., Karthäuser, S., Grundmann, A. et al. Propiedades electrónicas resueltas atómicamente en grafeno de una sola capa en α-Al2O3 (0001) por deposición química de vapor. Informe científico 12, 18743 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-22889-4

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Recibido: 13 mayo 2022

Aceptado: 20 de octubre de 2022

Publicado: 05 noviembre 2022

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

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