17 research outputs found

    Multiscale investigation of graphene layers on 6H-SiC(000-1)

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    In this article, a multiscale investigation of few graphene layers grown on 6H-SiC(000-1) under ultrahigh vacuum (UHV) conditions is presented. At 100-μm scale, the authors show that the UHV growth yields few layer graphene (FLG) with an average thickness given by Auger spectroscopy between 1 and 2 graphene planes. At the same scale, electron diffraction reveals a significant rotational disorder between the first graphene layer and the SiC surface, although well-defined preferred orientations exist. This is confirmed at the nanometer scale by scanning tunneling microscopy (STM). Finally, STM (at the nm scale) and Raman spectroscopy (at the μm scale) show that the FLG stacking is turbostratic, and that the domain size of the crystallites ranges from 10 to 100 nm. The most striking result is that the FLGs experience a strong compressive stress that is seldom observed for graphene grown on the C face of SiC substrates

    Electronic and structural characterization of divacancies in irradiated graphene

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    We provide a thorough study of a carbon divacancy, a fundamental but almost unexplored point defect in graphene. Low temperature scanning tunneling microscopy (STM) imaging of irradiated graphene on different substrates enabled us to identify a common two-fold symmetry point defect. Our first principles calculations reveal that the structure of this type of defect accommodates two adjacent missing atoms in a rearranged atomic network formed by two pentagons and one octagon, with no dangling bonds. Scanning tunneling spectroscopy (STS) measurements on divacancies generated in nearly ideal graphene show an electronic spectrum dominated by an empty-states resonance, which is ascribed to a spin-degenerated nearly flat band of π\pi-electron nature. While the calculated electronic structure rules out the formation of a magnetic moment around the divacancy, the generation of an electronic resonance near the Fermi level, reveals divacancies as key point defects for tuning electron transport properties in graphene systems.Comment: 5 page

    Etude de l'interface graphène - SiC(000-1) (face carbone) par microscopie à effet tunnel et simulations numériques ab initio

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    Graphene refers to a two-dimensional crystal made of carbon atoms arranged on a honeycomb lattice. This material presents interesting electronic properties regarding fundamental physics as well as industrial applications, such as an exotic low-energy band structure and high charge carrier mobility. Its fabrication through the graphitization of SiC is a promising method for electronics. We studied this system using scanning tunnelling microscopy (STM) and ab initio numerical simulations with the aim of characterizing the graphene - SiC(000-1) (carbon face) interface and studying the impact of the substrate on graphene's electronic structure. After an introduction to the graphene topic and a description of our investigation techniques, we present our lightly graphitized samples obtained under ultra-high vacuum. We identify two interface structures, the native SiC(000-1) surface reconstructions named (2x2)C and (3x3), on top of which lie graphene monolayer islands with a high rotational disorder leading to various moiré patterns on STM images. Using STM, we show that the graphene/(3x3) interaction is very weak. We then study the stronger graphene/(2x2) interaction successively from the point of view of the graphene and the reconstruction states, in the direct and reciprocal space, using both our experimental and theoretical methods. Finally, we consider the impact of interfacial defects observed by STM through graphene/(2x2) islands and modelled with hydrogen adatoms on the electronic band structure and doping of grapheneLe graphène est un cristal bidimensionnel composé d'atomes de carbone arrangés sur un réseau en nids d'abeille. Ce matériau présente des propriétés électroniques intéressantes tant au niveau fondamental qu'en vue d'applications avec notamment une structure de bande exotique en « cône de Dirac » et de grandes mobilités de porteurs. Sa fabrication par graphitisation du SiC est particulièrement adaptée aux applications électroniques. Nous avons étudié ce système par microscopie à effet tunnel (STM) et simulations numériques ab initio avec comme objectif la caractérisation au niveau atomique de l'interface graphène - SiC(000-1) (face carbone) et l'étude de l'impact du substrat sur la structure électronique du graphène. Après un chapitre introductif à la thématique du graphène, suivi d'un chapitre présentant les deux techniques utilisées au cours de ce travail, nous présentons nos échantillons faiblement graphitisés obtenus sous ultra-vide. Nous avons identifié deux types d'interfaces, les reconstructions natives de la surface du SiC(000-1) appelées (2x2)C et (3x3), sur lesquelles reposent les ilots monoplan de graphène, avec un fort désordre rotationnel donnant lieu à des figures de moiré sur les images STM. Nous montrons par imagerie STM et spectroscopie tunnel que l'interaction graphène/(3x3) est très faible. Nous étudions ensuite le cas d'interaction plus forte graphène/(2x2) successivement du point de vue des états du graphène et des états de la reconstruction, dans l'espace direct et réciproque, de façon expérimentale et théorique. Enfin, nous considérons l'effet de défauts observés par STM à l'interface des ilots sur (2x2), modélisés par des adatomes d'hydrogène, sur le dopage et la structure de bande électronique du graphène

    Investigation of the graphene - SiC(000-1) (carbon face) interface using scanning tunneling microscopy and ab initio numerical simulations

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    Le graphène est un cristal bidimensionnel composé d'atomes de carbone arrangés sur un réseau en nids d'abeille. Ce matériau présente des propriétés électroniques intéressantes tant au niveau fondamental qu'en vue d'applications avec notamment une structure de bande exotique en « cône de Dirac » et de grandes mobilités de porteurs. Sa fabrication par graphitisation du SiC est particulièrement adaptée aux applications électroniques. Nous avons étudié ce système par microscopie à effet tunnel (STM) et simulations numériques ab initio avec comme objectif la caractérisation au niveau atomique de l'interface graphène - SiC(000-1) (face carbone) et l'étude de l'impact du substrat sur la structure électronique du graphène. Après un chapitre introductif à la thématique du graphène, suivi d'un chapitre présentant les deux techniques utilisées au cours de ce travail, nous présentons nos échantillons faiblement graphitisés obtenus sous ultra-vide. Nous avons identifié deux types d'interfaces, les reconstructions natives de la surface du SiC(000-1) appelées (2x2)C et (3x3), sur lesquelles reposent les ilots monoplan de graphène, avec un fort désordre rotationnel donnant lieu à des figures de moiré sur les images STM. Nous montrons par imagerie STM et spectroscopie tunnel que l'interaction graphène/(3x3) est très faible. Nous étudions ensuite le cas d'interaction plus forte graphène/(2x2) successivement du point de vue des états du graphène et des états de la reconstruction, dans l'espace direct et réciproque, de façon expérimentale et théorique. Enfin, nous considérons l'effet de défauts observés par STM à l'interface des ilots sur (2x2), modélisés par des adatomes d'hydrogène, sur le dopage et la structure de bande électronique du graphène.Graphene refers to a two-dimensional crystal made of carbon atoms arranged on a honeycomb lattice. This material presents interesting electronic properties regarding fundamental physics as well as industrial applications, such as an exotic low-energy band structure and high charge carrier mobility. Its fabrication through the graphitization of SiC is a promising method for electronics. We studied this system using scanning tunnelling microscopy (STM) and ab initio numerical simulations with the aim of characterizing the graphene - SiC(000-1) (carbon face) interface and studying the impact of the substrate on graphene's electronic structure. After an introduction to the graphene topic and a description of our investigation techniques, we present our lightly graphitized samples obtained under ultra-high vacuum. We identify two interface structures, the native SiC(000-1) surface reconstructions named (2x2)C and (3x3), on top of which lie graphene monolayer islands with a high rotational disorder leading to various moiré patterns on STM images. Using STM, we show that the graphene/(3x3) interaction is very weak. We then study the stronger graphene/(2x2) interaction successively from the point of view of the graphene and the reconstruction states, in the direct and reciprocal space, using both our experimental and theoretical methods. Finally, we consider the impact of interfacial defects observed by STM through graphene/(2x2) islands and modelled with hydrogen adatoms on the electronic band structure and doping of graphen

    Etude de l'interface graphène - SiC(000-1) (face carbone) par microscopie à effet tunnel et simulations numériques ab initio

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    Le graphène est un cristal bidimensionnel composé d'atomes de carbone arrangés sur un réseau en nids d'abeille. Ce matériau présente des propriétés électroniques intéressantes tant au niveau fondamental qu'en vue d'applications avec notamment une structure de bande exotique en cône de Dirac et de grandes mobilités de porteurs. Sa fabrication par graphitisation du SiC est particulièrement adaptée aux applications électroniques. Nous avons étudié ce système par microscopie à effet tunnel (STM) et simulations numériques ab initio avec comme objectif la caractérisation au niveau atomique de l'interface graphène - SiC(000-1) (face carbone) et l'étude de l'impact du substrat sur la structure électronique du graphène. Après un chapitre introductif à la thématique du graphène, suivi d'un chapitre présentant les deux techniques utilisées au cours de ce travail, nous présentons nos échantillons faiblement graphitisés obtenus sous ultra-vide. Nous avons identifié deux types d'interfaces, les reconstructions natives de la surface du SiC(000-1) appelées (2x2)C et (3x3), sur lesquelles reposent les ilots monoplan de graphène, avec un fort désordre rotationnel donnant lieu à des figures de moiré sur les images STM. Nous montrons par imagerie STM et spectroscopie tunnel que l'interaction graphène/(3x3) est très faible. Nous étudions ensuite le cas d'interaction plus forte graphène/(2x2) successivement du point de vue des états du graphène et des états de la reconstruction, dans l'espace direct et réciproque, de façon expérimentale et théorique. Enfin, nous considérons l'effet de défauts observés par STM à l'interface des ilots sur (2x2), modélisés par des adatomes d'hydrogène, sur le dopage et la structure de bande électronique du graphène.Graphene refers to a two-dimensional crystal made of carbon atoms arranged on a honeycomb lattice. This material presents interesting electronic properties regarding fundamental physics as well as industrial applications, such as an exotic low-energy band structure and high charge carrier mobility. Its fabrication through the graphitization of SiC is a promising method for electronics. We studied this system using scanning tunnelling microscopy (STM) and ab initio numerical simulations with the aim of characterizing the graphene - SiC(000-1) (carbon face) interface and studying the impact of the substrate on graphene's electronic structure. After an introduction to the graphene topic and a description of our investigation techniques, we present our lightly graphitized samples obtained under ultra-high vacuum. We identify two interface structures, the native SiC(000-1) surface reconstructions named (2x2)C and (3x3), on top of which lie graphene monolayer islands with a high rotational disorder leading to various moiré patterns on STM images. Using STM, we show that the graphene/(3x3) interaction is very weak. We then study the stronger graphene/(2x2) interaction successively from the point of view of the graphene and the reconstruction states, in the direct and reciprocal space, using both our experimental and theoretical methods. Finally, we consider the impact of interfacial defects observed by STM through graphene/(2x2) islands and modelled with hydrogen adatoms on the electronic band structure and doping of grapheneSAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF

    Atomic and electronic structure of monolayer graphene on 6H-SiC(0001)(3 × 3) : a scanning tunneling microscopy study.

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    International audienceWe present an investigation of the atomic and electronic structure of graphene monolayer islands on the 6H-SiC(0001)(3×3) (SiC(3×3)) surface reconstruction using scanning tunneling microscopy (STM) and spectroscopy (STS). The orientation of the graphene lattice changes from one island to the other. In the STM images, this rotational disorder gives rise to various superlattices with periods in the nm range. We show that those superlattices are moir ́e patterns (MPs) and we correlate their apparent height with the stacking at the graphene/SiC(3×3) interface. The contrast of the MP in STM images corresponds to a small topographic modulation (by typically 0.2 ̊A) of the graphene layer. From STS measurements we find that the substrate surface presents a 1.5 eV wide bandgap encompassing the Fermi level. This substrate surface bandgap subsists below the graphene plane. The tunneling spectra are spatially homogeneous on the islands within the substrate surface gap, which shows that the MPs do not impact the low energy electronic structure of graphene. We conclude that the SiC(3 × 3) reconstruction efficiently passivates the substrate surface and that the properties of the graphene layer which grows on top of it should be similar to those of the ideal material

    Structure and stability of the interface between graphene and 6H-SiC(000-1) (3x3) : an STM and ab-initio study

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    24 pagesInternational audienceWe examine in detail the structure and the evolution upon annealing of the SiC(3x3) reconstruction which is known to be present at the interface between the SiC-C face substrate and the graphene layer for samples prepared in high vacuum. We use ab-initio calculations to test the validity of proposed or classical structural models in comparison with scanning tunnelling microscopy (STM) images. We analyze the electronic structure of the bare surface and detect interface states which can pin the surface Fermi level. From a comparison of the signal coming from the bare and graphene covered SiC(3x3) reconstruction we propose that the transparency of the graphene in high bias STM images results from an enhancement of the local density of states of the interface plane by the graphene layer. We discuss the thermal stability of the SiC(3x3) surface, and show that it transforms more easily into the SiC(2x2)C reconstruction in the graphene covered region than for the bare surface. This evolution generates both structural and electronic heterogeneities at the interface
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