Propriétés électroniques résolues atomiquement dans le graphène monocouche sur α

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 18743 (2022) Citer cet article

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Le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) sans métal de graphène monocouche (SLG) sur du saphir plan c a récemment été démontré pour des diamètres de tranche allant jusqu'à 300 mm, et la haute qualité des couches SLG est généralement caractérisée par des méthodes intégrales. En appliquant une approche d'analyse globale, des interactions distinctes à l'interface graphène-saphir et des variations locales causées par la topographie du substrat sont révélées. Les régions proches des bords des marches en saphir présentent de minuscules rides d'une hauteur d'environ 0,2 nm, encadrées par du graphène délaminé, identifié par le cône de Dirac typique du graphène libre. En revanche, l'adsorption de CVD SLG sur les terrasses α-Al2O3 (0001) à terminaison hydroxyle donne une superstructure avec une périodicité de (2,66 ± 0,03) nm. Les liaisons hydrogène faibles formées entre la surface du saphir hydroxylé et le système d'électrons π du SLG donnent une interface propre. L'injection de charge induit une bande interdite dans la couche de graphène adsorbé d'environ (73 ± 3) meV au point de Dirac. Le bon accord avec les prédictions d'une analyse théorique souligne le potentiel de ce système hybride pour les applications électroniques émergentes.

Les matériaux bidimensionnels (2DM) sont considérés comme des candidats de choix pour étendre considérablement la fonctionnalité des puces en silicium, appelées « CMOS + X ». La co-intégration des 2DM avec la technologie du silicium ouvre la perspective de performances substantielles et de gains fonctionnels dans des domaines tels que "More than Moore", les circuits intégrés photoniques, l'informatique neuromorphique et les technologies quantiques1. L'excellente stabilité structurelle, thermique et chimique combinée à la flexibilité mécanique et à la robustesse électrique peut être particulièrement intéressante pour les dispositifs memristifs, qui sont considérés comme des composants clés pour l'informatique de pointe de nouvelle génération2,3,4,5,6. Récemment, Wang et al. ont démontré un dispositif graphène/MoS2−xOx/graphène qui présente d'excellentes performances de commutation résistive avec une endurance allant jusqu'à 107 à une température de fonctionnement de 340 °C7. Cependant, des recherches supplémentaires sont nécessaires pour une meilleure compréhension du rôle des propriétés et des défauts interfaciaux, en particulier ceux formés pendant la croissance et l'exfoliation8. Pour exploiter pleinement les propriétés exceptionnelles des 2DM pour de nouveaux concepts informatiques neuromorphiques, un processus évolutif compatible avec la technologie des semi-conducteurs est nécessaire pour obtenir un matériau de haute qualité sur des tailles de tranches technologiquement pertinentes9.

Le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) s'est avéré être une voie de synthèse fiable, reproductible et technologiquement viable pour des films SLG à l'échelle d'une plaquette caractérisés par une bonne cristallinité, de faibles densités d'impuretés et une compatibilité totale avec l'intégration à grande échelle en fin de ligne (BEOL). Les SLG de grande surface ont été initialement fabriqués par CVD sur Cu, qui sert de catalyseur pour la décomposition des sources d'hydrocarbures10,11,12,13. Cependant, les impuretés résultant d'une élimination imparfaite des catalyseurs métalliques et du PMMA (poly(methyl 2-methylpropenoate)), nécessaire aux procédés de transfert, entravent l'utilisation de ce matériau pour une production à grand volume tout en répondant aux normes des semi-conducteurs14,15. Par conséquent, les intérêts de recherche actuels se concentrent sur la croissance directe du graphène sur des substrats isolants compatibles avec la technologie du silicium tels que α-Al2O3 (0001)16,17,18,19,20. Ce substrat standard en technologie des semi-conducteurs composés garantit la disponibilité en grande quantité de wafers de grand diamètre avec la qualité requise à un coût raisonnable21. De plus, la constante de réseau du plan c du saphir, 0,476 nm, est presque le double de celle du graphène (2 × 0,247 nm)22. Des études récentes ont démontré l'adéquation des tranches de saphir du plan c pour la CVD directe de SLG de haute qualité17,23,24 et la mise à l'échelle de substrats de 150 mm de diamètre à l'aide d'un réacteur à l'échelle de production (AIXTRON CCS 2D)25. Depuis les premiers rapports de croissance directe du SLG sur le saphir, l'alignement du SLG sur différentes surfaces de saphir a fait l'objet de plusieurs investigations. Entan et al. et Dou et al. ont rapporté une forte interaction interfaciale entre le graphène et α-Al2O3 (0001) dominée par les forces électrostatiques dans le système π du graphène et les électrons insaturés de la couche d'oxygène de la surface α-Al2O3 (0001) formant une liaison interfaciale C – O – Al . En revanche, Saito et al. et Ueda et al. ont constaté que la croissance du graphène sur le saphir du plan c commence à partir de piqûres de gravure formées au cours du processus CVD. La surface riche en Al dans les fosses joue un rôle central dans l'activité catalytique pour la croissance de SLG28,29. Cette affirmation est également étayée par les travaux de Mishra et al. et Chen et al., qui ont obtenu un CVD SLG de haute qualité pour α-Al2O3 (0001) traité dans une atmosphère d'hydrogène avant le dépôt de graphène à des températures élevées de 1180 ° C et 1400 ° C, respectivement20,25. Des valeurs de mobilité des porteurs à température ambiante supérieures à 2000 cm2/Vs et 6000 cm2/Vs ont été rapportées. Contrairement au SLG cultivé sur des tranches non traitées, ces films présentaient une densité de crêtes plus faible, des terrasses atomiques bien définies et une qualité cristalline améliorée avec une pleine largeur moyenne à mi-hauteur (FWHM) du mode Raman 2D d'environ 30 cm-1 à 35 cm-1. Les rapports d'intensité faible D/G et élevé 2D/G d'environ 0,15 et bien au-dessus de 2, respectivement, indiquent une faible densité de défauts et une concentration de porteurs dans la plage inférieure de 1012 cm-225. Cependant, l'intérêt croissant pour l'utilisation de CVD SLG sur α-Al2O3 hydraté (0001) pour réaliser des dispositifs électroniques à l'échelle nanométrique pour l'électronique de nouvelle génération, l'optoélectronique, l'informatique quantique et neuromorphique, nécessite une compréhension physicochimique plus détaillée des propriétés électroniques du système SLG/saphir jusqu'à l'échelle atomique30,31,32. En particulier, la surface d'énergie potentielle du SLG sur la pile de saphir affecte à la fois l'interface avec les couches déposées ultérieurement de 2DM hybrides sp2 tels que le h-BN et les dichalcogénures de métaux de transition et les propriétés caractéristiques des dispositifs fonctionnels tels que la fiabilité, l'endurance et la rétention.

Par conséquent, cette étude se concentre sur l'analyse des propriétés de transport électronique local de CVD SLG sur α-Al2O3 (0001) fournies par AIXTRON SE. La spectroscopie Raman et la cartographie Raman ont été combinées avec la microscopie électronique à balayage (SEM), la microscopie à force atomique conductrice (c-AFM) et les mesures Hall dans la géométrie de van der Pauw réalisées par des contacts en or déposés en phase vapeur. La caractérisation chimique de surface a été réalisée par spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS). Les propriétés électroniques au niveau atomique ont été analysées par microscopie à effet tunnel (STM) et spectroscopie (STS). La combinaison d'analyses à l'échelle micro et nanométrique a permis de mieux comprendre les variations locales des interactions SLG/saphir et la faible liaison électrostatique qui contrôle les propriétés électroniques du système. Une comparaison avec les résultats publiés précédemment de calculs de principes avancés33 complète l'étude.

Le SLG a été déposé sur du saphir plan c avec une chute de 0,2° (SLG/ α-Al2O3 (0001)) dans un système AIXTRON CCS 2D en configuration 19 × 2″. Le processus de dépôt était essentiellement similaire à celui décrit dans la Réf.25. Dans une étape de pré-cuisson, les substrats en saphir ont été gravés dans une atmosphère H2 à 1400 ° C pendant 10 min. Cela a été suivi d'un dépôt de graphène à 1460 ° C pendant 500 s en utilisant un mélange CH4 / H2 dans une atmosphère de N2 à 700 mbar. Les tranches de SLG/α-Al2O3 (0001) ont été clivées en morceaux plus petits et ensuite stockées sous vide ou sous gaz inerte pour une analyse plus approfondie. Le transport des échantillons ou des morceaux clivés entre les différentes installations de mesure ou de stockage se faisait dans des caisses fermées. Aucun autre traitement n'a été effectué avant la mesure.

La spectroscopie µ-Raman en mode cartographie a été réalisée à température ambiante en utilisant le microscope confocal Raman XploRA™ Plus de Horiba équipé d'un laser à solide d'une longueur d'onde de 532 nm à 8 mW. La ligne laser a été focalisée sur l'échantillon par une lentille d'objectif de microscope 100 × résultant en une taille de spot d'environ 0,5 µm. La lumière collectée était diffusée à travers un réseau à 1200 rainures/mm. Les cartographies ont été réalisées avec un temps d'exposition de 2 s, un temps d'accumulation de 2 s et un pas de 0,4 µm. Les données ont été traitées à l'aide du logiciel de suite spectroscopique LabSpec 6 de HORIBA. Tout d'abord, une soustraction de la ligne de base est effectuée, puis la position du pic est déterminée par le maximum du pic. Les rapports d'intensité sont calculés à partir des valeurs d'intensité maximales et les valeurs FWHM sont déterminées à la moitié de l'intensité maximale. La comparaison avec l'ajustement lorentzien des pics fournit des valeurs comparables compte tenu des plages d'erreur. Les mesures XPS ont été effectuées avec un VersaProbe 5000 de Physical Electronics. Un rayonnement Al Kα monochromatique avec une énergie d'excitation de 1486,6 eV et un diamètre de faisceau de 100 µm a été utilisé. Les échelles d'énergie de liaison des spectres XPS ont été calibrées au pic C 1s et au pic Al 2p à 285 eV et 74,1 eV, respectivement. Les balayages d'enquête et les spectres au niveau du noyau de Al 2p, O 1s et C 1s ont été enregistrés en mode basse puissance à 25 W avec un diamètre de spot de rayons X d'environ 100 µm. Pour compenser les effets de charge, la neutralisation des électrons a été réalisée avec un courant d'émission du neutraliseur de 20 µA et une polarisation du neutraliseur de 1,37 eV. Les scans d'enquête ont été effectués avec une énergie de passage de 187 eV. Les balayages haute résolution mesurés à un angle de décollage de 45° et une énergie de passage de 11,75 eV ont été utilisés pour effectuer l'analyse quantitative. Les spectres ont été analysés avec le logiciel CasaXPS, Version 2.3.23PR1.0. Pour les analyses au niveau du noyau XPS, un profil de fond Shirley a été soustrait de tous les spectres au niveau du noyau. Le pic C sp2 a été ajusté dans CasaXPS avec une forme de pic asymétrique définie comme A (0,4, 0,38, 20) GL (20) tandis que tous les autres composants ont été ajustés par des formes de pic symétriques comme GL (30). Les échantillons ont été stockés dans de l'azote pour minimiser l'exposition atmosphérique. Le type de porteur, la mobilité et la densité de feuille ont été obtenus à partir de mesures à effet Hall à température ambiante et un champ magnétique de 0,2 T à l'aide d'un système de mesure à effet Hall LakeShore 8404 AC/DC. Les échantillons SLG / saphir ont été clivés en morceaux de 10 mm × 10 mm et mis en contact avec des pastilles métalliques Pt dans la géométrie conventionnelle de van der Pauw. Les images SEM ont été acquises à l'aide d'un Hitachi SU8000 fonctionnant à une tension d'accélération de 0,5 kV et une pression de chambre d'environ 10 à 7 mbar. Le SLG a été mis à la terre pendant ces mesures SEM. Pour les mesures c-AFM et STM, un plus petit morceau de l'échantillon (max. 10 × 10 mm2) a été placé sur un porte-échantillon Omicron. Deux petites feuilles de métal ont été utilisées pour fixer l'échantillon et établir un contact conducteur avec le SLG qui a servi de contact arrière. Les mesures AFM et c-AFM ont été effectuées dans des conditions ambiantes. Les mesures AFM et c-AFM ont été effectuées en modes tapotement et contact dans un Cypher AFM (Asylum Research) avec des sondes AFM commerciales (Nanosensors™). Les mesures STM et STS ont été effectuées à l'aide d'un STM basse température (LT) de CreaTec Fischer. Le STM a fonctionné sous ultra-vide (UHV) avec une pression de chambre inférieure à 10–10 mbar à 4,2 K à l'aide de pointes en W gravées électrochimiquement sur mesure. Sauf indication contraire, les paramètres des systèmes suivants ont été utilisés : les mesures STM ont été effectuées avec une tension de polarisation appliquée de 2,3 V et un courant de consigne de 0,23 nA en mode courant constant. Les mesures STS ont été effectuées dans la plage de + 1,0 à - 1,0 V avec la boucle de rétroaction désactivée. Le courant tunnel différentiel a été déterminé à l'aide d'un amplificateur à verrouillage interne fonctionnant à 473 Hz et une amplitude de 80 mV. Les images STM ont été corrigées en plan à l'aide du logiciel d'analyse SPIP™ d'Image Metrology A/S, avec un filtre de bruit en option.

La structure de l'échantillon est décrite dans l'encart de la Fig. 1. Des données de spectroscopie Raman représentatives ont été extraites de mesures de cartographie Raman dans lesquelles différentes zones de 10 µm × 10 µm ont été numérisées avec une taille de point sur la surface d'environ 500 nm et une distance entre les mesures de 400 nm. Les cartographies Raman et les spectres supplémentaires sont illustrés à la Fig. S1 des informations supplémentaires. Tous les spectres de la Fig. 1 contiennent les principaux pics de graphène : D, G et 2D34,35. Les valeurs caractéristiques telles que les positions des pics G et 2D, ΔωG et Δω2D, respectivement, la pleine largeur à mi-hauteur (FWHMG et FWHM2D) et les rapports d'intensité I2D/IG et ID/IG sont présentés dans le tableau 1. L'ajustement de la courbe des pics 2D montre qu'ils ont une forme de Lorentz simple. Le rapport d'intensité I2D/IG peut être utilisé pour estimer qualitativement si le film de graphène analysé est du SLG ou du graphène multicouche. Il est à noter que le rapport d'intensité dépend de la configuration Raman, en particulier de la longueur d'onde laser et du réseau choisi35,36. Les positions des pics et la FWHM dépendent du nombre de couches, mais aussi de la densité des défauts et des effets de déformation37.

Mesures Raman de SLG sur saphir gravé H2. Les trois spectres caractéristiques sont liés à différentes positions locales choisies arbitrairement à partir de cartographies Raman. Les valeurs caractéristiques obtenues à partir de chaque spectre sont résumées dans le tableau 1. La structure de l'échantillon est esquissée dans l'encart (Adobe Photoshop Version 13.0, Adobe Illustrator CS6 Version 16.0 ; les deux : http://www.adobe.com).

De plus, le rapport d'intensité D/G est réciproquement lié à la concentration de défauts de SLG et est également corrélé à la taille de grain38. Les valeurs ID/IG de l'ordre de 0,2 indiquent une densité de défauts modérée dans nos échantillons23,39. Les fines lignes verticales de la figure 1 montrent les positions des pics G et 2D pour le graphène autonome à 1579 cm-1 et 2673 cm-1, respectivement40. Un léger décalage des pics vers des valeurs plus élevées, correspondant à un décalage vers le bleu, indique une déformation de compression mineure, probablement induite lors du refroidissement à partir de la température de dépôt37. Étant donné que les coefficients de dilatation thermique du graphène et du saphir sont différents sur toute la plage de température - négatifs pour le graphène et positifs pour le saphir - une contrainte de compression latérale est induite dans la couche de graphène lors du refroidissement41,42,43.

Bien que la résolution latérale de la cartographie soit encore modérée à moins de 500 nm, il existe une nette inhomogénéité locale dans la qualité de la couche de graphène, en accord avec le rapport de Neumann et al.37. La figure 1 montre des exemples de spectres couvrant la plage de variations possibles, et les valeurs caractéristiques correspondantes sont données dans le tableau 1. Trois principaux types de spectres Raman sont obtenus : (1) la courbe noire montre la présence de graphène multicouche avec un rapport d'intensité de I2D/IG <2. De plus, la largeur de raie du pic 2D est très large dans la région de 53 cm-1, mais les positions des pics répondent presque ou répondent au graphène autonome. (2) Le spectre rouge répond aux critères SLG considérant I2D/IG > 2 et montre les plus petites largeurs de pic de toutes les courbes avec des valeurs FWHM d'environ 16 cm-1 et 35 cm-1 pour les pics G et 2D, respectivement. (3) Le spectre bleu répond également aux critères SLG, mais montre un décalage bleu significatif dans les positions de pic G et 2 par rapport au graphène autonome, qui peut être attribué à un effet de contrainte de compression. Le rapport ID/IG de la courbe bleue est légèrement augmenté par rapport à la courbe rouge compatible avec une influence de la souche en plus des défauts du processus de croissance. Par rapport aux résultats de Tsoukleri et al.44, qui ont soumis une monocouche de graphène à une contrainte de traction et de compression, le décalage de pic obtenu de la courbe bleue pourrait être attribué à une contrainte de compression locale d'environ 0,3 %. Malgré la résolution latérale limitée des mesures Raman, la cartographie met en évidence des différences locales dans la qualité de la couche de graphène, principalement SLG, développée sur le substrat de saphir par CVD. Les mesures de Van der Pauw effectuées sur des échantillons d'environ 10 mm × 10 mm montrent une légère conduction globale de type p du SLG avec une mobilité à température ambiante de (1500 ± 100) cm2/Vs et une concentration de porteur de feuille d'environ 2,22 × 1012 cm−2, qui sont dans une fourchette raisonnable par rapport à la gamme de la littérature, allant de valeurs exceptionnelles d'environ 6000 cm2/Vs20 à des valeurs couramment rapportées pour le graphène CVD sur des substrats diélectriques, typiquement en dessous de 1000 cm2/Vs45. Il semble que la surface α-Al2O3 (0001) gravée au H2 ait un effet moindre sur les propriétés électroniques du SLG que les autres substrats diélectriques.

Afin de caractériser chimiquement plus en détail la surface du graphène et l'interface graphène/substrat, des mesures XPS ont été effectuées. Des scans d'enquête et des spectres au niveau du noyau de Al 2p, O 1s et C 1s ont été enregistrés pour un substrat de saphir non traité, pour un échantillon α-Al2O3 (0001) après précuisson dans l'hydrogène à 1400 ° C pendant 10 min, et pour l'échantillon SLG/saphir. Pour l'analyse des substrats de saphir non traités et précuits, l'échelle d'énergie a été calibrée en utilisant le signal C 1s du carbone adsorbé à 285,0 eV. En raison du chevauchement des signaux C 1s des espèces de carbone adsorbées et de la couche de graphène pour les échantillons SLG/saphir, l'échelle d'énergie a été calibrée par rapport au pic Al 2p de Al2O3 à une énergie de liaison de 74,1 eV46. La figure S2a résume les scans d'enquête de l'α-Al2O3 original (0001), la surface de saphir précuite avec H2 et les échantillons SLG/saphir sous forme de lignes noires, bleues et rouges, respectivement. Pour tous les balayages, seuls les pics attribuables à l'oxygène, au carbone et à l'aluminium sont observés. D'autres pics tels que ceux des impuretés ne sont pas observés. Les spectres de niveau de cœur Al 2p, O 1s et C 1s du substrat de saphir à l'état non traité et précuit H2 sont illustrés à la Fig. S2b – g. Les figures 2a à c montrent les spectres de niveau de cœur respectifs de l'échantillon SLG/saphir. Les spectres ont été analysés avec le logiciel CasaXPS, Version 2.3.23PR1.0. Un profil de fond Shirley (ligne noire) a été soustrait de tous les spectres de niveau de base. Les composants ont été ajustés dans CasaXPS avec des formes de pics symétriques comme GL (30), à l'exception du pic C sp2 qui a été ajusté avec une forme de pic asymétrique comme A (0,4, 0,38, 20) GL(20)47. Les énergies et largeurs de pic (FWHM) des composants chimiques adaptés aux spectres sont répertoriées dans le tableau S2 des informations supplémentaires et dans le tableau 2 pour l'échantillon SLG / saphir. Pour le substrat de saphir vierge (Fig. S2b-d), les spectres au niveau du noyau peuvent être ajustés partout par du carbone adsorbé, ce qui donne un pic C 1s à 285, 0 eV et une composante C = O dans le spectre O 1s à 532, 3 eV. Le pic Al 2p à 74,1 eV et le pic O 1s à 530,8 eV sont attribués à Al2O348. Après précuisson à 1400 ° C dans H2, des pics supplémentaires apparaissent dans les spectres Al 2p et O 1s à environ 74, 8 eV et 531, 5 eV, respectivement (Fig. S2e, f), qui sont attribués aux espèces Al – OH48. La dépendance de leur intensité à l'angle de décollage confirme une position proche de la surface.

Spectres au niveau du cœur de SLG sur saphir gravé H2 pour un angle de décollage de 45° et une énergie de passage de 11,75 eV : (a,b) montrent les spectres Al 2p et O 1s, qui sont essentiellement liés à la surface du saphir ; (c) montre le spectre C 1s provenant de la couche de graphène et des espèces de carbone adsorbées ; l'encart montre le grossissement. Les points noirs montrent les données brutes, les lignes bleu acier montrent les enveloppes des composants ajustés et les lignes noires montrent les arrière-plans Shirley soustraits. Les composants suivants sont utilisés pour l'ajustement : (Al–OH)* en bleu, Al–OH en rouge, Al2O3 en vert, C=O en marron, π–π* en orange, C sp3 en gris et C sp2 en violet. Les détails sont résumés dans le tableau 2.

Les spectres des niveaux de cœur Al 2p et O 1s sont également considérés comme des indicateurs de l'état chimique de la surface du saphir gravé au H2 après revêtement avec SLG. Les figures 2a, b montrent la présence de groupes Al2O3 et de groupes Al – OH à l'interface identifiée par des pics aux énergies de liaison observées pour la surface de saphir non traitée et précuite avec H2. Les spectres Al 2p et O 1s au niveau du cœur donnent le même rapport des deux intensités maximales [Al–OH]/[Al2O3] d'environ 0,38 à un angle de décollage de 45°. Cependant, des pics supplémentaires avec des énergies de liaison plus élevées par rapport à Al-OH doivent être introduits pour s'adapter aux spectres mesurés. Les énergies de liaison de ce composant supplémentaire (Al–OH)* sont déterminées à 75,9 eV et 532,5 eV pour Al 2p et O 1s, respectivement. Encore une fois, le rapport des intensités maximales [(Al–OH)*]/[Al2O3] pour les deux spectres au niveau du cœur est constant avec une valeur d'environ 0,55 à un angle de décollage de 45°. L'apparition de deux composants d'interface, Al–OH et (Al–OH)*, avec des énergies de liaison différentes pourrait indiquer des inhomogénéités locales dans l'interaction SLG/saphir. L'énergie de liaison accrue du composant (Al–OH)* par rapport aux valeurs de la littérature pour Al–OH indique la formation de liaisons hydrogène. Le signal C=O est le plus fort à un angle d'analyseur de 63°, indiquant les espèces de surface. Le spectre de niveau de cœur C 1s sur la figure 2c est composé de signaux C sp3 et C sp2 en tant qu'espèces principales. L'espèce C sp2 et la signature claire du pic π – π* (shake-up) à une énergie de liaison d'environ 290,5 eV (voir encadré sur la Fig. 2c) démontrent l'existence de graphène sur la surface α-Al2O349. La détermination du composant carbone C sp3 à une énergie de liaison légèrement supérieure, environ 285,0 eV, est le résultat du couplage de SLG avec des groupes fonctionnels voisins et une indication de l'interaction avec le saphir gravé au H250,51. Le rapport [C sp3]/[C sp2] est presque constant à environ (0,44 ± 0,01), quel que soit l'angle de l'analyseur.

Les images AFM de grande surface (Fig. 3a) montrent une morphologie homogène. Seuls les bords des marches en saphir et les rides capillaires sont observés (informations complémentaires Fig. S3). α-Al2O3 (0001) présente deux types de bords de marche, les plus petits avec une hauteur de marche de 0,21 nm ± 0,01 nm, caractéristique des marches monoatomiques α-Al2O3 (0001) (1/6 c = 0,217 nm) entre deux couches d'oxygène, et les plus grands avec une hauteur de marche de 1,30 nm ± 0,01 nm correspondant à la hauteur de la cellule unitaire (c = 1 .299 nm) ou un multiple de celui-ci22,52. Un pas de cellule unitaire est marqué dans le profil de hauteur de la figure 3c. Remarquablement, aucun bord de marche correspondant à l'espacement entre les couches de graphène de 0,33 nm n'a pu être enregistré dans aucune des mesures, indiquant à nouveau une couverture SLG sur l'ensemble de la tranche53,54. La hauteur des rides observées varie de 0,2 nm à 0,6 nm, et une rugosité quadratique moyenne (RMS) de (38 ± 2) pm a été obtenue pour des zones de 1 µm2 incluant les bords des marches du saphir.

Mesures AFM et SEM de SLG sur α-Al2O3 (0001). (a) Image AFM de grande surface montrant les bords des marches en saphir. (b) Image à plus haute résolution de la zone marquée en (a) (carré vert) montrant une marche α-Al2O3 (0001) et des rides près des bords des marches. ( c ) Coupe transversale moyennée sur plusieurs lignes le long de la barre bleue en ( b ) montrant un bord en saphir d'environ 1, 29 nm. Près du bord de la marche, le SLG est surélevé de 120 h à 130 h depuis la terrasse. (d) Image de phase correspondante à (a). (e) Image SEM. ( f ) Schéma de la délamination près des bords des marches du saphir. Deux régions SLG sont visibles, l'une sur des terrasses plates en saphir et l'autre à proximité des bords des marches en saphir ; ils sont étiquetés GI et G-II, respectivement, en (b)–(f).

Une autre caractéristique qui apparaît dans les images AFM haute résolution est une variation de la hauteur de la surface SLG par rapport à la surface du saphir (Fig. 3b, c). Il convient de mentionner que les valeurs RMS dans les deux zones étiquetées GI ou G-II sont (17 ± 2) pm. La distance verticale entre SLG et α-Al2O3 (0001) mesurée à l'entrée des terrasses plates en saphir (voir Fig. 3b), est d'environ 0,12 nm ± 0,01 nm plus petite dans les zones plus sombres (GI) que dans les zones plus claires (G-II) le long des bords des marches en saphir. La région G-II comprend également les rides représentées schématiquement sur la figure 3f. Évidemment, SLG se détache de la surface en saphir près des bords des marches et suit la structure de surface sur les terrasses en saphir. Il est également probable que les rides proviennent du relâchement des contraintes et complètent le délaminage du film SLG17. Avec les données Raman indiquant une déformation localement inhomogène, une image cohérente de la libération de déformation par délaminage aux bords des marches de α-Al2O3 (0001) émerge. La hauteur de ces bords de marche peut être aussi faible que 0,22 nm mais peut atteindre plus de 4,0 nm (Fig. S3b). Ainsi, nous concluons que la structure du graphène dans la région GI, c'est-à-dire le graphène adsorbé sur α-Al2O3 (0001) dans la région de la terrasse, est énergétiquement favorable par rapport à la structure délaminée graphène/saphir près des bords des marches (G-II). Cependant, ce dernier permet la libération des contraintes et est nécessaire pour permettre la formation de la structure GI préférée également sur les terrasses suivantes. Cette question sera discutée plus en détail avec les résultats de l'analyse STM/STS.

Un aperçu supplémentaire est fourni par une image de contraste de phase AFM prise en mode tapotement (voir Fig. 3d). Ici, les régimes SLG GI et G-II apparaissent également avec une luminosité différente, indiquant différentes interactions pointe-graphène sur les terrasses plates en saphir et dans les régions proches des bords des marches en saphir. De plus, les images SEM de la Fig. 3e montrent clairement les deux régimes SLG différents malgré leur faible différence de hauteur. Cependant, des régions plus lumineuses dans les images SEM indiquent une densité d'électrons plus élevée55, ce qui suggère que les régions SLG G-II le long des bords des marches ont une densité de porteurs plus élevée que les régions SLG GI, qui sont plus étroitement liées à l'entrée des terrasses de saphir. De plus, l'analyse SEM nous a permis d'imager ces caractéristiques morphologiques spécifiques à des échelles de longueur plus grandes et à plusieurs positions sur la plaquette (cf. Informations complémentaires Fig. S4). L'effet d'une conductivité différente a été étudié plus en détail à l'aide de c-AFM.

Les résultats c-AFM présentés sur la figure 4 permettent une corrélation directe des propriétés topographiques et électroniques avec une attention particulière aux deux régions SLG, qui montrent des interactions significativement différentes avec la surface du saphir.

Mesures c-AFM. (a) Image topographique et (b) carte de conductivité de la même section d'échantillon. (c) Profils de hauteur (bleu) et de courant (noir) le long des barres indiquées en (a) et (b).

Comparaison des Fig. 4a et b montrent que la conductivité du SLG ne change pas brusquement sur les bords des marches en saphir, mais généralement à une distance de 30 à 80 nm avant ou après le bord des marches. Les balayages linéaires de la Fig. 4c montrent que la conductivité dans le graphène détaché (G-II) situé près du bord de la marche en saphir est presque quatre fois supérieure à la conductivité du SLG attaché aux terrasses en saphir (GI).

Des interactions électrostatiques relativement fortes entre le SLG et la surface α-Al2O3 (0001) à terminaison oxygène ont été rapportées dans la littérature, entraînant un espacement intercouche de 0,26 nm26. D'autre part, des études théoriques de SLG sur la surface α-Al2O3 (0001) terminée par Al montrent des interactions de dispersion plus faibles et un espacement intercouche de 0,31 nm24,26. Il est important de noter qu'un espacement vertical de 0,338 nm pour le système SLG/Ir(111) et de 0,215 nm pour SLG/Ni(111) indique des interactions van der Waals et covalentes faibles, respectivement56,57. De fortes interactions électrostatiques entre SLG et α-Al2O3 (0001) résultent du système délocalisé d'électrons π de SLG interagissant avec les liaisons pendantes de la surface α-Al2O3 (0001). Ces liaisons pendantes, situées au sommet des atomes d'oxygène, induisent un dopage de type p de SLG26. En raison de cette interaction entre les couches, une diminution de la mobilité des électrons est attendue. Cependant, nous avons constaté que la distance verticale SLG/α-Al2O3 (0001) est augmentée de 0,12 nm près des bords des marches du saphir. En supposant une valeur minimale de 0,26 nm pour la distance interfaciale sur les terrasses, cela se traduirait par une distance de 0,38 nm (= 0,26 nm + 0,12 nm) aux bords des marches. Ceci est significativement plus grand que l'espacement intercouche de graphite (0,336 nm), indiquant un délaminage du SLG dans cette région. La délamination explique également la conductivité quatre fois plus élevée dans les régions de bord du saphir par rapport aux régions de terrasse de α-Al2O3, où la mobilité des électrons est réduite en raison des interactions intercouches. Par conséquent, le SLG dans le régime G-II est considéré comme un graphène «presque autonome» dans ce qui suit.

Des informations plus détaillées sur la structure de surface de nos échantillons ont été dérivées des mesures LT-UHV-STM. Le côté droit de la figure 5a, agrandi sur la figure 5c, correspond à SLG près d'un bord de marche en saphir (G-II), et la structure à résolution atomique (en médaillon) ressemble à un motif en nid d'abeille caractéristique d'une couche de graphène autonome. Ici, les sites A et B des sous-réseaux de graphène ont une hauteur apparente équivalente. Les variations de contraste sont dues aux fluctuations potentielles provenant du mélange orbital π–π permis par les ondulations et les bords des marches58. L'inhomogénéité de charge qui en résulte est distribuée de manière aléatoire. Le côté gauche de la Fig. 5a, agrandi sur la Fig. 5b, montre le SLG adsorbé sur une terrasse de saphir (GI), qui a une structure périodique. De plus, la structure à résolution atomique (encadré de la figure 5b) présente une légère apparence triangulaire, indiquant une interaction graphène/substrat plus forte dans la région GI par rapport à G-II. D'après la littérature, des apparences triangulaires distinctes et une brisure de symétrie du réseau de graphène, indiquées par des hauteurs apparentes inégales des sous-réseaux A et B, caractérisent des systèmes à forte interaction tels que les interfaces SLG/graphite ou SLG/métal59,60. La superstructure de SLG dans le régime GI a une période comprise entre 2,64 nm et 2,68 nm, la majorité des boucles ayant une hauteur apparente d'environ 45 pm et seulement quelques boucles, représentées comme des régions plus brillantes sur la figure 5b, ayant des hauteurs apparentes dans la gamme 210 pm-150 pm25. La structure de boucle est tournée de 27 ° ± 1 ° par rapport à la structure en nid d'abeille atomique de SLG (analyse du motif de moiré dans les informations à l'appui, Fig. S5). Ce motif de moiré provenant d'un angle de torsion entre SLG et la surface α-Al2O3 (0001), est cohérent avec les supercellules proposées pour le saphir à terminaison Al et, en particulier, avec les données rapportées par Mishra et al. qui ont utilisé une méthode de dépôt comparable pour SLG24,25.

Mesures LT-UHV-STM. ( a ) Aperçu des deux régions de graphène différentes. (b) Image haute résolution de GI montrant une superstructure. Encart (1,2 × 1,4) nm2 : structure de graphène résolue de manière atomique. (c) G-II correspond au SLG presque autonome avec des fluctuations aléatoires de la hauteur apparente. Encart : structure en nid d'abeilles résolue de manière atomique de SLG (1,2 × 1,4) nm2. (d,e) Profils de hauteur apparents le long des lignes indiquées en (b) et (c), respectivement.

Ainsi, nous constatons que la différence de hauteur de 120 pm et la différence de conductance entre GI et G-II, que nous avons déterminées par AFM et c-AFM, et que nous attribuons à un couplage intercouche différent du graphène avec l'α-Al2O3 sous-jacent (0001) dans les deux régions, sont également visibles dans l'analyse STM. Alors que G-II présente les caractéristiques d'une couche de graphène autonome, d'un motif en nid d'abeille et de fluctuations de contraste aléatoires, GI montre les signes de couplage intercouche, c'est-à-dire une apparence triangulaire du motif de graphène et une superstructure (Fig. 5). Nous avons mesuré une différence de hauteur apparente entre les deux régions de graphène de 160 pm dans notre STM, ce qui indique une conductivité environ trois fois plus élevée de G-II par rapport à GI, compte tenu des différences de hauteur réelles mesurées dans l'AFM. Un comportement comparable avec le même changement de propriétés a été observé pour les flocons de graphène adsorbés sur du graphite61. Dans ce cas, la différence de hauteur entre le graphène couplé et le graphène autonome était de 100 pm.

Nous avons clairement observé des différences dans le mécanisme de liaison sur les terrasses plates et près des marches du même échantillon, conduisant à des propriétés électroniques différentes dans les régions respectives. Ces résultats sont d'une importance évidente pour la conception de dispositifs utilisant SLG/saphir comme empilement électrode/substrat inférieur. Par conséquent, les propriétés électroniques locales de notre interface SLG/α-Al2O3 (0001) ont été étudiées plus en détail à l'aide de STS (Fig. 6). En particulier, des mesures ont été effectuées le long d'une ligne à la frontière entre G-II, qui est du graphène presque libre, et GI, qui a une interaction plus forte avec le saphir, comme l'indique la superstructure formée. Les spectres de conductance et de conductance différentielle ont commencé sur G-II, ont traversé une région de transition et ont atteint GI (voir également la figure 7a). Ils ont été effectués à chaque point de la ligne (15 points) avec différents courants de consigne de 0,11 nA, 0,22 nA, 0,35 nA, 0,51 nA et 0,64 nA définissant différentes distances pointe-surface STM. L'ensemble complet des spectres de conductivité différentielle peut être trouvé dans les informations complémentaires (Fig. S4), tandis que sur la Fig. 6, un ensemble sélectionné de spectres normalisés (dI/dV)/(I/V) est tracé pour montrer les principales caractéristiques. Les courbes STS de la Fig. 6 sont tracées en trois points différents, sur G-II, dans la région de transition entre G-II et GI, et sur GI, pour trois courants de consigne représentatifs de 0,22 nA, 0,35 nA et 0,51 nA.

Mesures de conductance différentielle normalisées à trois distances W tip—SLG/α-Al2O3 (0001) contrôlées par des courants de consigne (0,22 nA, 0,35 nA et 0,51 nA correspondant respectivement aux courbes bleue, rouge et noire à Vbias = 1,0 V). (a) Région G-II près du bord de la marche. (b) Région de transition entre G-II et GI. (c) Région GI sur la terrasse saphir. Un décalage du point de Dirac à l'approche de la pointe est indiqué par la ligne verticale en pointillés. (d) Schéma du cône de Dirac marqué en (a). ( e ) Tracé de l'ouverture de la bande interdite induite par le substrat marquée en ( b ).

STS se présente le long d'une ligne traversant différentes régions SLG du régime G-II à gauche au régime GI à droite. ( a ) Image STM (Vbias = 1, 0 V, Iset = 0, 4 nA) des deux régions SLG différentes marquant les 15 positions de mesure STS. (b) Points de Dirac dépendants de la position (croix) et principaux pics STS (cercle) pour Iset = 0,22 nA (bleu) et Iset = 0,35 nA (rouge). ( c ) Points de Dirac dépendant de la position (croix), pics de phonon électronique (carré) et pics de singularité de Van Hove (triangle) (Iset = 0, 22 nA).

La densité locale d'états (LDOS) dans le graphène est très sensible même aux petites perturbations environnementales telles que le couplage électrostatique au substrat sous-jacent, les effets des ondulations et des défauts, ou simplement une pointe qui approche59,62. Tous ces effets conduisent à des particularités dans la dépendance au biais de la conductance différentielle, qui est directement liée à la DOS locale. Dans les courbes (dI/dV)/(I/V) obtenues pour G-II (Fig. 6a), deux caractéristiques principales apparaissent pour la plus grande distance pointe-échantillon (Iset = 0,22 nA) à (− 0,52 ± 0,03) V et (+ 0,36 ± 0,04) V, respectivement. Ils correspondent à des interactions pointe-graphène qui augmentent en intensité avec l'augmentation du courant de consigne, c'est-à-dire avec la diminution de la distance pointe-échantillon63. Sur la figure 6d, le minimum du point de Dirac en forme de V identifié dans la conductance différentielle de G-II peut être discerné à VDII = (15 ± 7) mV (Iset = 0,22 nA) indiquant un faible dopage p, ce qui est cohérent avec les résultats de nos mesures de van der Pauw. Cependant, ce décalage du point de Dirac dépend fortement du matériau de la pointe, en particulier de la différence de travail de sortie entre le matériau de la pointe et le graphène, de la géométrie de la pointe et de la distance entre la pointe et l'échantillon62,63,64. Lorsque la pointe s'approche de l'échantillon, nous observons un déplacement du point de Dirac et de l'ensemble du spectre STS vers des valeurs négatives, ΔVDII = (-155 ± 13) mV (indiqué par la ligne noire verticale sur la figure 6a). Ce comportement est cohérent avec les données de la littérature63.

Les deux épaulements flanquant le point de Dirac avec une séparation d'environ (134 ± 24) mV, observés pour G-II sur les Fig. 6a,d et 7c, sont attribués à des interactions électron-phonon (e-ph) analogues aux études de graphène sur SiO2 ou sur graphite61,65. Le couplage d'électrons tunnel avec des phonons inhérents au substrat, ici vraisemblablement le phonon acoustique hors plan du graphène avec une énergie d'environ 65 meV65 conduit à des caractéristiques dans le LDOS à EF ± 65 meV qui expliquent nos observations. Le couplage e-ph est caractéristique du graphène autonome et suggère donc qu'au plus une petite interaction de SLG et de saphir peut être présente dans G-II61,64,65. Il convient de noter qu'à mesure que la distance entre la pointe et les échantillons diminue, les perturbations du LDOS deviennent plus prononcées, affectant ainsi la forme ainsi que l'observation du cône de Dirac.

Les données de conductance différentielle normalisées mesurées sur GI (Fig. 6c) montrent des caractéristiques significativement différentes par rapport à G-II. Les principales caractéristiques se produisent autour de (− 0,75 ± 0,02) V et (+ 0,85 ± 0,03) V et sont attribuées aux interactions de la bande π de SLG avec des états de défaut de α-Al2O3 (0001). On rapporte que ces états de défaut montrent une séparation d'environ 1,5 eV et varient localement comme prévu pour des surfaces non uniformes66. Ainsi, les principales caractéristiques des spectres de conductance différentielle sur GI et G-II sont dues à différentes causes : état de défaut SLG bande π/α-Al2O3 et interaction SLG/pointe, respectivement. Cela se reflète également dans la distance modifiée entre les caractéristiques principales de 1,60 V sur GI et seulement 0,88 V sur G-II (Fig. 7b), indiquant des interactions clairement différentes de SLG avec le substrat en saphir dans les deux régions. Lorsque la pointe W se rapproche de GI (Iset = 0,22 nA, 0,35 nA, 0,51 nA), un décalage du point de Dirac de seulement ΔVDI = (− 34 ± 14) mV (vers des tensions négatives) est observé, ce qui est significativement plus faible par rapport à celui sur G-II. Ceci est une conséquence du couplage amélioré du SLG au substrat α-Al2O3 (0001). Il est à noter qu'à Iset = 0,22 nA le point de Dirac est à VDI = (16 ± 7) mV, indiquant un dopage de type p faible, tandis qu'à Iset = 0,51 nA la valeur VDI = (− 18 ± 9) mV est le résultat des interactions de la couche GI avec le W-tip et le substrat α-Al2O3 (0001). Les points de Dirac des régimes GI et G-II pour de grandes distances pointe/substrat montrent tous deux un léger dopage p comparable.

La liaison électrostatique de SLG à l'entrée des terrasses de α-Al2O3 (0001) de manière épitaxiale provoque une superstructure périodique accompagnée d'une influence prononcée sur la structure électronique de GI. Le couplage périodique entre les couches conduit à une rupture de la symétrie du sous-réseau du graphène et l'angle de torsion entre le SLG et α-Al2O3 (0001) discuté ci-dessus conduit probablement à des singularités de Van Hove (VHS), c'est-à-dire des maxima, dans le LDOS du graphène61. Celles-ci apparaissent dans nos mesures STS sur GI sous forme de pics des deux côtés du point de Dirac (Fig. 6c) avec une séparation d'environ ΔVHS = (301 ± 34) mV, confirmant l'interaction de SLG avec la surface α-Al2O3 (0001), puisque VHS ainsi que toutes les autres perturbations du graphène DOS par rapport au substrat ne peuvent être observées que dans le cas d'un couplage intercouche (analyse plus approfondie dans Informations complémentaires).

Les courbes (dI/dV)/(I/V) représentées sur la figure 6b ont été obtenues dans la zone de transition et montrent les caractéristiques de G-II et GI avec une intensité variable. Fait intéressant, la courbe STS mesurée à Iset = 0,35 nA montre une ouverture de bande interdite au point de Dirac de (87 ± 5) meV (Fig. 6b, e ; valeur moyenne sur 6 mesures : (73 ± 3) meV), qui est observée à la suite de l'interaction intercouche entre SLG et la surface α-Al2O3 (0001)27,33,67. De telles ouvertures de bande interdite peuvent atteindre 90 meV ou 260 meV, comme indiqué pour les substrats SiO2 ou SiC, respectivement68,69. Cependant, ici, la bande interdite n'est visible qu'à certains points de consigne actuels utilisés pour le STS et disparaît à des valeurs plus grandes et plus petites68. On observe cette dépendance à la consigne de courant, et, en plus, une dépendance locale. L'ouverture de la bande interdite est mieux résolue au dernier point de mesure sur GI, où la modulation périodique de la bande π se termine mais la symétrie du sous-réseau est toujours rompue. En conséquence, l'intensité du VHS diminue et l'interférence avec la bande interdite restante est plus faible. L'ampleur de l'ouverture de la bande interdite déterminée dans ce travail est plutôt faible et indique une interaction mineure entre GI et α-Al2O3 (0001). Cependant, cela concorde bien avec la valeur de 84 meV dérivée des calculs avancés du premier principe effectués par Huang et al. sur le système graphène/α-Al2O3 (0001)33. Sur la base de leurs calculs, les auteurs ont proposé deux structures aux interfaces propres. Il s'agit de graphène sur α-Al2O3 terminé par Al (0001) et de graphène sur α-Al2O3 entièrement hydroxylé (0001) avec une bande interdite ouverte d'environ 182 meV et 84 meV, respectivement. En revanche, les calculs de Huang et al. prédisent une forte interaction entre une surface de saphir à terminaison O et la couche de graphène, conduisant à des états d'écart résultant de l'hybridation entre le graphène et les orbitales d'oxygène de la surface33. Les fortes liaisons Al–O–C, telles que décrites dans les références 26, 27, peuvent être exclues de notre système.

Les changements dans les propriétés électroniques locales du graphène qui se produisent le long de la ligne d'une région SLG à l'autre sont résumés à la Fig. 7. Voici les positions des pics le long de la ligne traversant la frontière entre G-II et GI déterminées à partir de l'analyse STS à 15 points de mesure. La figure 7b montre et compare les principales caractéristiques des courbes (dI/dV)/(I/V) pour les courants de consigne de 0,22 nA et 0,35 nA, indiqués respectivement par les couleurs rouge et bleue. Le changement brusque des principales positions des pics dans la région de transition entre G-II et GI peut être clairement observé. De plus, la dépendance claire du point de Dirac de G-II et GI sur la distance pointe-surface est évidente. Une autre caractéristique intéressante, mieux déduite de la Fig. 7c, est l'alternance des positions des pics VHS (régime GI) et des pics dans G_II résultant du couplage e-ph. Comme mentionné ci-dessus, le couplage e-ph ne peut être observé que dans une couche de graphène (presque) découplée, tandis que le VHS résulte d'un couplage de couches torsadées. Ainsi, l'origine des pics autour de VD dans GI et G-II est clairement différente et soutient directement l'hypothèse selon laquelle GI correspond au graphène couplé, tandis que G-II est presque autonome.

Les résultats de l'analyse complète du système SLG/α-Al2O3 (0001) obtenus à partir d'un processus CVD évolutif au moyen d'une caractérisation chimique de surface et d'une analyse quantitative de la topographie locale et de la structure électronique en comparaison avec des études de graphène sur graphite et SiO2 et des simulations de structure dérivées des premiers calculs de principe33,70 nous permettent d'identifier sans ambiguïté le couplage intercouche de l'interface SLG/α-Al2O3 (0001). Sur la base des résultats de l'analyse XPS et (dI/dV)/(I/V), nous pouvons exclure la surface α-Al2O3 (0001) à terminaison O et les fortes liaisons Al-OC pour notre système. Une comparaison plus détaillée identifie le SLG/α-Al2O3 hydroxylé (0001) comme l'interface la plus probable. Ceci est également soutenu par la topographie plate observée pour le SLG sur les terrasses de saphir et par la preuve expérimentale d'une ouverture de bande interdite dans le SLG d'environ (73 ± 3) meV au point de Dirac. Ceci est très proche de la valeur d'environ 84 meV calculée pour l'interface du graphène et de la surface hydroxylée α-Al2O3 (0001)33.

En résumé, les dessins schématiques de la figure 8 présentent les structures SLG/α-Al2O3 hydroxylé (0001) les plus raisonnables pour les deux régimes en accord avec les résultats chimiques et topographiques décrits jusqu'à présent. La terminaison hydroxy partielle de la surface du saphir dérivée de l'analyse XPS est incluse dans les schémas. Le régime SLG GI illustré à la Fig. 8a est caractérisé par l'interaction du système graphène-électrons π délocalisé avec la couche supérieure de saphir, conduisant à des liaisons hydrogène faibles du système d'électrons O – H… π33,71. Dans la région G-II près des bords des marches, l'espacement entre les couches est encore augmenté, ce qui entraîne une SLG presque autonome, comme le montre la figure 8b. En résumé, ces différences de couplage intercouche à l'interface SLG/α-Al2O3 (0001) dans les régions GI et G-II expliquent nos observations topographiques et électroniques expérimentales. Le modèle de base illustré à la Fig. 8 sert de point de départ pour discuter des effets du couplage intercouche sur les propriétés électroniques des dispositifs à base de graphène et, en outre, de matériaux 2D empilés.

Illustration de l'interface SLG/α-Al2O3 (0001) dans les régimes GI et G-II (Blender Version 2.93.1 ; http://www.blender.org). La structure atomique de α-Al2O3 dans le plan c est tirée de Jain et al.72 (Al turquoise, O rouge) et une proposition de terminaison hydroxyle ajoutée (H bleu) en accord avec la Réf.33. SLG est représenté en gris, le système d'électrons π en vert. ( a ) Interaction du saphir à terminaison hydroxyle avec SLG (région GI). (b) SLG "presque autonome" (région G-II).

En résumé, nous avons étudié les corrélations locales entre les propriétés morphologiques, topographiques et électroniques du SLG déposé sur α-Al2O3 gravé au H2 (0001) en appliquant diverses méthodes sensibles à la surface telles que SEM, AFM, c-AFM en combinaison avec la spectroscopie XPS et Raman. Le SLG homogène de taille de plaquette qui provient d'un procédé CVD commercial présente une inhomogénéité au niveau local à une concentration de défauts intermédiaire. De plus, nous avons identifié deux régions de nos films SLG avec des interactions interfaciales SLG/α-Al2O3 (0001) significativement différentes. De manière caractéristique, ces régions sont situées soit sur des terrasses de saphir, soit le long des bords des marches. Sur la base d'une caractérisation topographique et électronique résolue de manière atomique à l'aide de méthodes STM/STS, des interactions interfaciales faibles mais distinctes ont été trouvées sur les terrasses de saphir, qui peuvent être attribuées à de faibles liaisons hydrogène entre le saphir à terminaison hydroxyle et le SLG. Ces structures moirées sont formées par un angle de torsion entre la structure hexagonale α-Al2O3 (0001) et la structure hexagonale du graphène. Une ouverture de bande interdite dans le SLG d'environ (73 ± 3) meV au point de Dirac, qui est une conséquence de l'injection de charge dans la couche de graphène, a pu être détectée expérimentalement. La valeur absolue est en bon accord avec une prédiction des calculs du premier principe. En revanche, le SLG près des bords des marches est considéré comme presque autonome. Cette situation peut être décrite comme des chemins conducteurs formés par le SLG autonome le long des bords des marches en saphir et le SLG sur les terrasses en saphir, qui est moins conducteur d'un facteur 4. La faible interaction interfaciale entre le SLG et le saphir gravé au H2 permet une mobilité élevée des porteurs de charge conduisant à une conductivité élevée du SLG/α-Al2O3 (0001). Nous pensons que ces résultats contribuent à une meilleure compréhension de l'interface SLG/α-Al2O3 (0001) et présentent un intérêt particulier pour les futurs concepts de dispositifs basés sur le graphène en tant que couche d'électrode conductrice avec une relation épitaxiale avec le substrat isolant de support.

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés au cours de la présente étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Les auteurs tiennent à remercier René Borowski, Jochen Friedrich et Marcel Gerst pour leur assistance technique.

Ce travail a été en partie financé par le ministère fédéral allemand de l'Éducation et de la Recherche (BMBF) dans les projets NEUROTEC (projet n° 16ME0398K, 16ME0399 et 16ME0403) et NeuroSys (projet n° 03ZU1106AB) et est basé sur la Jülich Aachen Research Alliance (JARA-FIT). Financement Open Access activé et organisé par Projekt DEAL.

Institut Peter Grünberg 7, Forschungszentrum Jülich GmbH et JARA-FIT, 52425, Jülich, Allemagne

Henrik Wördenweber, Silvia Karthäuser, Zhaodong Wang, Stephan Aussen & Rainer Waser

JARA Institute Energy-Efficient Information Technology (Green IT & PGI-10), Forschungszentrum Jülich GmbH, 52425, Jülich, Allemagne

Rainer Waser et Susanne Hoffmann-Eifert

Institut des matériaux en génie électrique et technologie de l'information II, RWTH Aachen University, 52074, Aachen, Allemagne

Rainer Waser

Technologie des semi-conducteurs composés, RWTH Aachen University, 52074, Aachen, Allemagne

Annika Grundmann, Holger Kalisch, Andrei Vescan & Michael Heuken

AIXTRON SE, 52134, Herzogenrath, Allemagne

Michel Heuken

Université RWTH d'Aix-la-Chapelle, 52066, Aix-la-Chapelle, Allemagne

Henrik Wördenweber, Zhaodong Wang et Stephan Aussen

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HW a effectué les mesures AFM, SEM, c-AFM, LT-UHV-STM et STS. HW et SK ont analysé les données et contribué à l'interprétation. AG, ZW et SA ont effectué l'analyse Raman et XPS et ont contribué à l'interprétation. MH a fourni l'échantillon. SK et SH ont supervisé l'étude. Tous les auteurs ont discuté des résultats et de leur interprétation. Le manuscrit a été rédigé grâce aux contributions de tous les auteurs. Tous les auteurs ont donné leur approbation à la version finale du manuscrit.

Correspondance avec Silvia Karthäuser ou Susanne Hoffmann-Eifert.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Wördenweber, H., Karthäuser, S., Grundmann, A. et al. Propriétés électroniques résolues atomiquement dans le graphène monocouche sur α-Al2O3 (0001) par dépôt chimique en phase vapeur. Sci Rep 12, 18743 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-22889-4

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Reçu : 13 mai 2022

Accepté : 20 octobre 2022

Publié: 05 novembre 2022

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

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