Propiedades estructurales y electrónicas del grafeno sobre SiC(0001) estudiadas por microscopía combinada STM/AFM

Abstract

El grafeno, una hoja elemental del grafito, es un material muy estudiado por la comunidad científica debido a que presenta propiedades físicas nuevas y únicas. Aparece como un material muy prometedor para aplicaciones tecnológicas. Se presenta un estudio de las propiedades estructurales y electrónicas del grafeno epitaxial sobre 6H-SiC(0001) por medio de un microscopio combinado STM/AFM, basado en un diapasón de cuarzo con una punta conductora de Pt/Ir o de fibra de carbono. Las puntas fabricadas por ataque electroquímico presentan un radio de curvatura de algunos nanómetros y fueron caracterizadas por SEM, TEM y emisión electrónica de efecto campo. Primero se focalizó en las propiedades de una muestra que presenta terrazas parcialmente recubiertas de grafeno. En este caso, la imagen STM no proporciona la topografía de la superficie, la cual es dada por la topografía AFM operando en modo repulsivo. Las diferentes propiedades electrónicas de cada terraza se constataron por mediciones espectroscópicas d<I>/dV vs V. Luego, el estudio por FM-AFM, a alta resolución, sobre una terraza lisa permitió revelar la estructura ondulada y periódica de la reconstrucción (6√3×6√3)R30° del 6H-SiC(0001) recubierta de grafeno. Se muestra que los máximos de la superficie de iso-densidad de estados electrónicos en el nivel de Fermi, observados en la imagen STM, no se superponen con las zonas asociadas a los máximos de la superficie de iso-densidad de estados totales (Topografía AFM). Éstos aparecen separados por ~1 nm a lo largo de la dirección [11] de la cuasi-malla (6×6) de la reconstrucción (6√3×6√3)R30°. Como la amplitud de la corrugación superficial aumenta con el gradiente de fuerza aplicado, se muestra que la superficie de grafeno se deforma por la punta AFM. Esta deformación, que modifica el acoplamiento electrónico entre el grafeno y la capa tampón, influye fuertemente en el contraste de las imágenes STM/AFM. Las consecuencias de esta deformación sobre las imágenes STM, que muestran la red de grafeno, son también discutidas.

The graphene, a basic sheet of graphite, is a new material intensively studied by the scientific community because of its new and unique physical properties. Furthermore it appears as a very promising material for technological applications. We present a study of structural and electronic properties of epitaxial graphene on 6H-SiC(0001) using a combined STM/AFM microscope based on a quartz tuning fork with a conductive tip. The tips made from electrochemical etched Pt/Ir wire or carbon fiber have an apex radius of few nanometers and were characterized by SEM, TEM and by field electron emission. First, we focused on the properties of a sample showing terraces partially covered with graphene. In this case, the STM images do not provide the real surface topography, which is given by the AFM topography working in repulsive mode. The electronic properties of each terrace are confirmed by local spectroscopic d<I>/dV vs V measurements. Then, the high-resolution FM-AFM study on a smooth terrace revealed the corrugated structure due to the periodic (6√3×6√3)R30° reconstruction of SiC (0001) covered with graphene. We show that the maxima of the local density of electronic states at the Fermi level observed in STM image do not overlap with the zones associated with maxima of total states density (AFM Topography). They appear shifted by ~1 nm along the direction [11] of the (6×6) nanomesh of the (6√3×6√3)R30° reconstruction. As the corrugation amplitude of the surface increases with the applied force gradient, we show that the surface of graphene is distorted by the AFM tip. This deformation modifies the electronic coupling between the graphene and the buffer layer and strongly influences the contrast in STM/AFM images. The consequences of this deformation are also discussed in the STM images showing the lattice of graphene.