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Contracted interlayer distance in graphene/sapphire heterostructure

Nano Research 2015年第5期8卷 1535-1545页

作者： Shiro Entani liub.v yu. antipina Pavel v. Avramov Manabu Ohtomo Yoshihiro Matsumoto Norie Hirao Iwao Shimoyama Hiroshi Naramoto yu.i Baba Pavel B. Sorokin Seiji Sakai Advanced Science Research Center Japan Atomic Energy Agency Tokai Ibaraki 319-1195 Japan Technological Institute for Superhard and Novel Carbon Materials Troitsk Moscow 142190 Russia Moscow Institute of Physics and Technology Dolgoprudny Moscow 141700 Russia Siberian Federal University 79 Svobodniy pr. Krasnoyarsk 660041 Russia Ouantum Beam Science Directorate Japan Atomic Energy Agency Tokai Ibaraki 319-1195 Japan National University of Science and Technology MISiS Moscow 119049 Russia

Direct growth of graphene on insulators is expected to yield significant improvements in performance of graphene-based electronic and spintronic devices. In this study, we successfully reveal the atomic arrangement and electronic properties of a coherent heterostructure of single-layer graphene and α-Al2O3（0001）. The analysis of the atomic arrangement of single-layer graphene on α-Al2O3（0001） revealed an apparentcontradiction. The in-plane analysis shows that single-layer graphene grows not in a single-crystalline epitaxial manner, but rather in polycrystalline form, with two strongly pronounced preferred orientations. This suggests relatively weak interfacial interactions are operative. However, we demonstrate that unusually strong physical interactions between graphene and α-Al2O3（0001） exist, as evidenced by the small separation between the graphene and the α-Al2O3（0001） surface. The interfacial interaction is shown to be dominated by the electrostatic forces involved in the graphene n-system and the unsaturated electrons of the topmost O layer of α-Al2O3（0001）, rather than the van der Waals interactions. Such features causes graphene hole doping and enable the graphene to slide on the α-Al2O3（0001） surface with only a small energy barrier despite the strong interfacial interactions.

关键词： graphene sapphire chemical vapor deposition graphene/insulator interface

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