グラフェンおよび他の低次元材料のためのAFM

2004年のNovoselovおよびGeimによる単層グラファイト膜から成るトランジスタのレポートは、一夜にしてグラフェン研究のフィールドを築きました。このカーボン原子の単一独立面は、多くのユニークで魅力的な特性を示すことを証明してきており、高表面積、優れた導電性と熱伝導度、優れた機械的強度を提供します。グラフェンは中間にバルクのない理想的な二側面であり、知られている中で最高の室温キャリア移動度、シリコンの25倍の熱伝導度、~1 TPaと報告されるヤング率や理論限界に近付きつつある破壊強度をもちます。ブレイクスルーテクニックの潜在性はこのように豊富で、次世代のエレクトロニクス(量子コンピューティング、スピントロにクス)や、エネルギー収集・貯蔵(光起電、燃料電池、スーパーキャパシタ)、ナノエレクトロメカニカル(MEMS)デバイスや共振器、電気化学センサーやラボオンチップバイオセンサーを含みます。これはまた、MoS2 や窒化ホウ素膜といった他の2次元材料に付随した関心にも拍車をかけてきました。
 
AFMはグラフェンの研究において、重要なイネーブリングテクノロジーです。その高い(サブオングストローム)分解能により、基板上の単原子層を容易に識別し、モルフォロジー、粗さ、均一性といった膜質のキャラクタライジングに適しています。さらに、AFMイメージングはプローブの表面への物理的な接触が必要で、そのために、電気的および機械的な特性を、形状像と同時に測定できます。導電率や誘電率、剛性や散逸、粘弾性や摩擦応答といった材料特性はこのように、ナノスケールの水平方向の精度でマップアウトされます。静電荷や表面電位、磁場といったロングレンジな電気特性は、測定中に表面のすぐそばに探針を持ってくることで、同様によくプローブできます。
 
 

機能

メトロロジー
  • 膜厚
  • 粗さ、モルフォロジー、均一性
電気特性
  • 導電率および誘電率 (sMIM, CAFM)
  • 表面電位 (KPFM)
  • 蓄積電荷 (EFM)
  • I-V プロファイル (CAFM)
磁気特性
  • 磁気力勾配 (MFM)
機械特性
  • 剛性、ヤング率(フォースカーブ、高速フォースマッピング、AM-FM)
  • 弾性率、損失弾性率、ロスタンジェント(AM-FM、コンタクト共振、ロスタンジェントイメージング)
  • エネルギー散逸(AM-FM、コンタクト共振、ロスタンジェントイメージング)
トライボロジー特性
  • 摩擦 (LFM)
  • 接着(フォースカーブ、高速フォースマッピング)
熱特性
  • Thermal conductivity (SThM)
 

一般的なアプリケーション

  • 量子コンピューティング、スピントロニクス
  • 電子回路部品:トランジスタ、電界エミッタ、インターコネクト、スーパーキャパシタ
  • 抵抗変化型不揮発性メモリ技術
  • 光電子工学、光起電およびディスプレイ技術のための透明電極
  • エネルギー収集・貯蔵:太陽電池、燃料電池、バッテリー
  • テラヘルツプラズモン振動子
  • センサー技術:単分子センサー、電気化学センサー、バイオセンサー、ラボオンチップデバイス
  • (生体)分子およびイオン輸送のための半透膜
  • ナノエレクトロケミカルシステムおよび機械共振器

Selected Publications

S. Bertolazzi, J. Brivio, and A. Kis, "Stretching and Breaking of Ultrathin MoS2," ACS Nano 5, 9703-9709 (2011). doi:10.1021/nn203879f

S. Bertolazzi, J. Brivio, A. Radenovic, A. Kis, H. Wilson, L. Prisbrey, E. Minot, A. Tselev, M. Philips, M. Viani, D. Walters, and R. Proksch, "Exploring flatland: AFM of mechanical and electrical properties of graphene, MoS2 and other low-dimensional materials," Microscopy and Analysis 27, 21-24 (2013). link to magazine

J. Brivio, D. T. L. Alexander, and A. Kis, "Ripples and Layers in Ultrathin MoS2 Membranes," Nano Lett.11, 5148-5153 (2011). doi:10.1021/nl2022288

L. Collins, J. I. Kilpatrick, I. V. Vlassiouk, A. Tselev, S. A. L. Weber, S. Jesse, S. V. Kalinin, and B. J. Rodriguez, "Dual harmonic Kelvin probe force microscopy at the graphene-liquid interface," Appl. Phys. Lett. 104, 133103 (2014). doi:10.1063/1.4870074

J. R. Felts, A. J. Oyer, S. C. Hernández, K. E. W. Jr, J. T. Robinson, S. G. Walton, and P. E. Sheehan, "Direct mechanochemical cleavage of functional groups from graphene," Nat. Commun. 6, 6467 (2015). doi:10.1038/ncomms7467

R. Jalili, S. H. Aboutalebi, D. Esrafilzadeh, R. L. Shepherd, J. Chen, S. Aminorroaya-Yamini, K. Konstantinov, A. I. Minett, J. M. Razal, and G. G. Wallace, "Scalable One-Step Wet-Spinning of Graphene Fibers and Yarns from Liquid Crystalline Dispersions of Graphene Oxide: Towards Multifunctional Textiles," Adv. Funct. Mater. 23, 5345-5354 (2013). doi:10.1002/adfm.201300765

K. Kim, Z. Lee, B. D. Malone, K. T. Chan, B. Alemán, W. Regan, W. Gannett, M. F. Crommie, M. L. Cohen, and A. Zettl, "Multiply folded graphene," Phys. Rev. B 83, 245433 (2011). doi:10.1103/physrevb.83.245433

I. Levchenko, O. Volotskova, A. Shashurin, Y. Raitses, K. Ostrikov, and M. Keidar, "The large-scale production of graphene flakes using magnetically-enhanced arc discharge between carbon electrodes," Carbon 48, 4570-4574 (2010). doi:10.1016/j.carbon.2010.07.055

L. H. Li, J. Cervenka, K. Watanabe, T. Taniguchi, and Y. Chen, "Strong Oxidation Resistance of Atomically Thin Boron Nitride Nanosheets," ACS Nano 8, 1457-1462 (2014). doi:10.1021/nn500059s

Q. Li, X.-Z. Liu, S.-P. Kim, V. B. Shenoy, P. E. Sheehan, J. T. Robinson, and R. W. Carpick, "Fluorination of Graphene Enhances Friction Due to Increased Corrugation," Nano Lett. 14, 5212-5217 (2014). doi:10.1021/nl502147t

Y. Liu, F. Wang, X. Wang, X. Wang, E. Flahaut, X. Liu, Y. Li, X. Wang, Y. Xu, Y. Shi, and R. Zhang, "Planar carbon nanotube-graphene hybrid films for high-performance broadband photodetectors," Nat. Commun. 6, 8589 (2015). doi:10.1038/ncomms9589

A. J. Marsden, M. Phillips, and N. R. Wilson, "Friction force microscopy: a simple technique for identifying graphene on rough substrates and mapping the orientation of graphene grains on copper," Nanotechnology24, 255704 (2013). doi:10.1088/0957-4484/24/25/255704

N. R. Pradhan, D. Rhodes, Q. Zhang, S. Talapatra, M. Terrones, P. M. Ajayan, and L. Balicas, "Intrinsic carrier mobility of multi-layered MoS2 field-effect transistors on SiO2," Appl. Phys. Lett. 102, 123105 (2013). doi:10.1063/1.4799172

B. Radisavljevic, A. Radenovic, J. Brivio, V. Giacometti, and A. Kis, "Single-layer MoS2 transistors," Nat. Nanotechnol. 6, 147-150 (2011). doi:10.1038/nnano.2010.279

B. Radisavljevic, M. B. Whitwick, and A. Kis, "Integrated Circuits and Logic Operations Based on Single-Layer MoS2," ACS Nano 5, 9934-9938 (2011). doi:10.1021/nn203715c

S. Scharfenberg, D. Z. Rocklin, C. Chialvo, R. L. Weaver, P. M. Goldbart, and N. Mason, "Probing the mechanical properties of graphene using a corrugated elastic substrate," Appl. Phys. Lett. 98, 091908 (2011). doi:10.1063/1.3553228

A. Tselev, N. V. Lavrik, A. Kolmakov, and S. V. Kalinin, "Scanning Near-Field Microwave Microscopy of VO2 and Chemical Vapor Deposition Graphene," Adv. Funct. Mater. 23, 2635-2645 (2013). doi:10.1002/adfm.201203435

A. Tselev, N. V. Lavrik, I. Vlassiouk, D. P. Briggs, M. Rutgers, R. Proksch, and S. V. Kalinin, "Near-field microwave scanning probe imaging of conductivity inhomogeneities in CVD graphene," Nanotechnology 23, 385706 (2012). doi:10.1088/0957-4484/23/38/385706

A. Tselev, V. K. Sangwan, D. Jariwala, T. J. Marks, L. J. Lauhon, M. C. Hersam, and S. V. Kalinin, "Near-field microwave microscopy of high-κ oxides grown on graphene with an organic seeding layer," Appl. Phys. Lett. 103, 243105 (2013). doi:10.1063/1.4847675

S. Unarunotai, J. C. Koepke, C.-L. Tsai, F. Du, C. E. Chialvo, Y. Murata, R. Haasch, I. Petrov, N. Mason, M. Shim, J. Lyding, and J. A. Rogers, "Layer-by-Layer Transfer of Multiple, Large Area Sheets of Graphene Grown in Multilayer Stacks on a Single SiC Wafer," ACS Nano 4, 5591-5598 (2010). doi:10.1021/nn101896a

D. Yu, L. Wei, W. Jiang, H. Wang, B. Sun, Q. Zhang, K. Goh, R. Si, and Y. Chen, "Nitrogen doped holey graphene as an efficient metal-free multifunctional electrochemical catalyst for hydrazine oxidation and oxygen reduction," Nanoscale 5, 3457 (2013). doi:10.1039/c3nr34267k