北大高鵬等人聯合在 Nat. Commun.報道：石墨烯/藍寶石界面強相互作用的原子機理

【背景介紹】

在晶體材料的界面處，斷裂的平移對稱性通常會極大地改變光學、電學和磁學性質而出現許多奇異現象，例如界面感應的超導性、二維（2D）電子氣、磁電耦合等。其中，在原子薄的2D材料中，界面效應要占主導地位。同時在2D/2D異質結構中也可觀察到這種效應。此外，石墨烯（Gr）間的界面通過“魔法”角耦合，在半填充時產生相關的絕緣狀態，在靜電摻雜時可調至零電阻狀態。最近，Gr/藍寶石（α-Al₂O₃）中α-Al₂O₃作為柵極介電層具有相對較高的介電性能，使其在電子器件中具有應用前景。此外，Gr/α-Al₂O₃還可作為第三代半導體遠程生長的平臺，其中Gr用作緩沖層以克服晶格失配的局限。在基板上的靜電勢受界面性質的控制，所以界面性質最終決定了外延晶體的質量。故而揭示Gr/α-Al₂O₃界面的原子結構和結合性質至關重要。雖然現在表征技術取得不錯的進展，但是仍然無法詳細獲得Gr/α-Al₂O₃界面的結構和性能的關系。像差校正透射電子顯微鏡（Cs-TEM）能夠以原子分辨的方式識別材料的結構和化學組成，而不管其導電性如何。然而，石墨烯/藍寶石在電子設備和半導體薄膜生長中具有廣泛的應用，但是對于該界面的性質基本處于未知狀態。

【成果簡介】

最近，北京大學的高鵬教授、湖南大學的Lei Liao和中國科學院半導體研究所的Shenyuan Yang（共同通訊作者）聯合報道了他們利用像差校正透射電子顯微鏡（Cs-TEM）技術發現α-Al₂O₃表面與Gr中的一些碳原子具有很強的相互作用，形成C-O-Al構型，表明兩者間的界面相互作用不是簡單的范德華相互作用。此外，界面附近的α-Al₂O₃的結構弛豫被顯著抑制，并且與裸露的藍寶石表面的弛豫非常不同。但是在高溫下，Gr生長期間形成了C-O-Al界面鍵。總之，該研究為理解Gr在α-Al₂O₃上的電子結構以及通過使用Gr/α-Al₂O₃基底遠程控制薄膜的外延生長提供了新知識。研究成果以題為“Atomic mechanism of strong interactions at the graphene/sapphire interface”發布在國際著名期刊Nature Communications上。

【圖文解讀】

圖一、Gr/α-Al₂O₃界面的原子結構
（a）沿[100]方向觀察的HAADF圖像；

（b）相應的球棒模型和仿真圖像。

圖二、DFT計算出的Gr/α-Al₂O₃的界面結構
（a）頂視圖；（b）側視圖。其中，長度單位為?。紅色：鋁原子；綠色：O原子；灰色：C原子。

圖三、Al-Al長度和角度的定量測量
（a）Al-Al長度映射；

（b）平均距離；

（c）Al-Al角度映射；

（d）平均角度。

圖四、用相應的本體間距的百分比表示α-Al₂O₃的層間弛豫

【小結】

綜上所述，作者利用Cs-TEM獲得了Gr/α-Al₂O₃間的界面結構。研究發現，最頂層是重構的O層，直接鍵合到Gr上以形成C-O-Al界面結構。此外，在存在Gr和界面結合的情況下，界面附近的α-Al₂O₃的結構弛豫行為受到抑制。通過DFT模擬計算所得結果與所有這些結果都非常吻合。研究表明，Gr/α-Al₂O₃的界面并不像假定的那么簡單，并且Gr與底物之間的相互作用是非純的范德華作用力。在Gr/α-Al₂O₃之間形成了牢固的化學鍵狀態，并且顯著改變Gr的光學、電學和機械性能。總之，通過利用Gr作為緩沖層，為遠程控制薄膜的外延生長提供了新知識。

文獻鏈接：Atomic mechanism of strong interactions at the graphene/sapphire interface（Nature Communications, 2019, DOI: 10.1038/s41467-019-13023-6）

本文由CQR編譯。

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