در بخش اول این مقاله سرفصل‌های ماهیت نامتعارف گرافن، مروری بر روش‌های میکروسکوپی پروبی روبشی، انواع گرافن، بررسی گرافن با میکروسکوپی پروبی روبشی، بررسی توپوگرافی با STM، گرافن ورقه‌ای روی پایه SiO2، گرافن روی پایه SiC، پایه‌های فلزی، پایه گرافیت، گرافن روی h-BN، توپوگرافی با AFM مورد مطالعه قرار گرفتند. موادي با خواص بنیادی جدید که دانسته‌های ما را به چالش می‌کشاند، همواره مورد توجه محققین هستند. اگر ویژگی‌های بدیع این مواد به عرصه مهندسی دستگاه‌ها کشانده شده و کاربرد در خور توجهی بیابند، آنگاه دامنه این تحقیقات دیگر حد و مرزی نخواهد داشت. گرافن، شکل دو بعدی کربن، این مسیر را پیموده است.
گرافن موضوع تعداد زیادی از تحقیقات نظری و عملی بوده است تا اینکه از سال 2004، هنگامی که از یک روش ساده و ظریف برای ساخت گرافن تک لایه‌ای استفاده شد، زمینه برای انجام تحقیقات بسیار گسترده فراهم گردید. روش‌های بسیار زیادی موازی با این روش برای ساخت گرافن توسعه یافته است. با آشکار شدن ویژگی‌های ساختاری و الکترونیکی منحصربه فرد گرافن، مشخص گردید که روش میکروسکوپی پروبی روبشی یک روش جالب و فوق‌العاده برای مطالعه این ترکیب است. در این مقاله مروری، روش میکروسکوپی پروبی روبشی و چگونگي استفاده از این روش به‌عنوان یک ابزار ضروری برای درک خواص گرافن و تحقیقات گرافن در آینده، بررسي شده‌است.
این مقاله شامل سرفصل‌های زیر است:
1- طیف‌سنجی، تعیین نقطه دیراک
1-1- الکترون – حفره‌های کوچک
1-1-1- اندازه گیری‌های SET
2-1-1- اندازه‌گیری‌های STM روی SiO2
3-1-1- اندازه‌گیری‌های STM روی h-BN
4-1-1- اندازه‌گیری‌های SGM
2-1- پراش و نقص‌ها
3-1-رژیم کوانتوم هال
4-1- کرنش و میدان شبه مغناطیسی
نتيجه‌گيري
این مقاله از مجموعه مقالات فصل نامه شبکه آزمایشگاهی فناوری‌های راهبردی سال 2014 شماره 6 برگرفته شده است. برای دسترسی به مراکز خدمات دهنده آنالیزهای STM ،SPM و AFM به ترتیب، بر روی لینک های زیر کلیک کنید.
1- طیف‌سنجی، تعیین نقطه دیراک
محاسبه‌های اتصال‌های سخت، گرافن را به‌صورت یک نیمه‌هادی با شکاف باند صفر پیش‌بینی می‌کند. با استفاده از STM، اندازه‌گیری‌های dI/dV طیف‌سنجی تونل‌زني روبشی می‌تواند اطلاعاتی را درباره چگالی ترازها فراهم کند. نقطه حداقل در چگالی ترازها، نقطه دیراک، در نقطه K(K′) در ساختار باند گرافن روی می‌دهد. تونل‌زنی الکترون‌ها از سوزن STM، معمولاً دارای K=0 است، بنابراین نمی‌تواند با الکترون‌ها در نقطه دیراک جفت شود. به هر حال، در فرآیند تونل‌زنی، الکترون‌ها می‌توانند با کمک فنون‌ها از سوزن STM به سوی نقطه دیراک تونل بزنند. ژانگ و همکارانش انرژی نقطه دیراک را به‌صورت تابع ولتاژ گیت که چگالی حامل را تغییر می‌دهد، اندازه‌گیری نموده‌اند. همان‌طور که انتظار می‌رود، حداقل هدایت VD به‌دلیل ولتاژ گیت جابه‌جا می‌شود. در آنجا همچنین یک شکاف 130mV وجود دارد که همانند طرح‌هایی که اطراف انرژی فرمی Ef متمرکز می‌شوند، با ولتاژ گیت یا موقعیت نمونه تغییر نمی‌کند. این شکل‌ها به فنون‌های بلوکه شده منسوب هستند. حالت فنون 67eV خارج از صفحه اکوستیک گرافن، احتمال الکترون‌های با انرژی بالاتر از 67meV را در تونل گرافن افزایش می‌دهد که باعث افزایش dI/dV خارج از این محدوده انرژی می‌شود. همان‌طور که در شکل (1) مشاهده می‌شود، هنگامی که به‌دلیل ایجاد یک کانال میانی انعطاف‌ناپذیر، افزایش فوق‌العاده زیادی در هدایت تونل روی می‌دهد، الکترون‌ها از این انرژی آستانه پیش می‌افتند. اندازه‌گیری‌های دیگر STS با تجزیه و تحلیل اتمی توسط دشپند و همکارانش روی نمونه‌های ورقه‌ای انجام شده‌است. استفاده از UHV STM در4/5K ، چگالی خطی ترازها را در انرژی‌های پایین نشان داده و هیچ مانعی را در طیف dI/dV نشان نمی‌دهند. این امر احتمالا به‌دلیل اختلاف در حالت انتهایی سوزن و توانایی جفت شدن الکترون‌ها بدون فنون در نقطه دیراک است.
1-1- الکترون – حفره‌های کوچک
در نقطه دیراک، جایی که باندهای هدايت و ظرفيت با یکدیگر برخورد می‌کنند، چگالی حامل‌های بار صفر است. به‌هرحال، اندازه‌گیری انتقالات نشان می‌دهد که رسانایی گرافن در نقطه دیراک محدود است. مشخص شده‌است که این رسانایی کم، ناشی از ناهمگن بودن الکترونی نمونه است. محاسبات تئوری، پیش‌بینی می‌کند که شکسته شدن سیستم حامل دوبعدی به شبکه ناهمگنی از الکترون و حفره‌های کوچک، دلیل این رسانایی کم است. برای درک روشن این ناهمگنی بار، لازم است نقشه فضایی این حفره‌های کوچک ترسیم شود.
1-1-1- اندازه گیری‌های SET
نخستین گزارش عملی برای آشکار کردن الکترون و حفره‌های کوچک، روش روبشی ترانزیستور الکترون منفرد (SET) است که نوسانات را در نقطه دیراک ترسیم می‌کند. این تصاویر دوبعدی، الکترون و حفره‌های کوچک را در مقیاس طولی 150 نانومتر نشان می‌دهد. اندازه‌گیری‌های SET برخلاف روش SEM که می‌تواند چگالی ترازهای ذرات منفرد را بررسی کند، می‌تواند چگالی بسیاری از ترازها را مورد بررسي قرار دهد. اندازه‌گیری‌های SET، منشأ این حفره‌ها را بی‌نظمی می‌داند که در اثر پس‌ماندهای برجای مانده در طول فرآیند ساخت و اصلاح ساختار گرافن از پایه حاصل شده‌است.
2-1-1- اندازه‌گیری‌های STM روی SiO2
فاصله بین پروب و نمونه که معمولاً در حد 100 نانومتر است، باعث می‌شود که تجزیه و تحلیل اندازه‌گیری‌های SET محدود شود. برای دست‌یابی به توان تفکیک فضایی بالاتر، روش طیف‌سنجی تونل‌زني روبشی با تفکیک فضایی برای بررسی الکترون و حفره‌های کوچک به‌کار گرفته می‌شود. این اندازه‌گیری‌ها با استفاده از STM در شرایط اجرایی 4/5K روی گرافن ورقه‌ای بر پایه SiO2 انجام مي‌شود. همان‌طور که در شکل (2-الف) نشان داده شده‌است، نواحی بزرگی از گرافن تصویربرداری شده‌اند و نقشه چگالی موضعي ترازها نیز ثبت شده‌است. این امر با اجرای طیف‌سنجی dI/dV در هر نقطه از تصویر توپوگرافی گرافن قابل دست‌یابی است. تغییرات موضعي dI/dV به‌صورت نقشه‌های LDOS رسم می‌شوند. این تغییرات به‌دلیل انحراف از نقطه دیراک است. ايجادكننده‌هاي پراش دور برد به شکل ناخالصی‌های باردار تصادفی، باعث به‌وجود آمدن پراش و انحراف از نقطه دیراک می‌شود.
این امر همان‌طور که در نقشه‌های LDOS شکل (2-ب) نشان داده شده‌است، باعث به‌وجود آمدن الکترون و حفره‌های کوچک در گرافن می‌شود. نواحی قرمز، مناطقی هستند که نقطه دیراک به سمت ولتاژ مثبت نمونه جابه‌جا شده و از این‌رو، این نواحی حفره ـ آلاییده هستند. نواحی آبی با جابه‌جایی نقطه دیراک به ولتاژ منفی نمونه، الکترون ـ آلاییده هستند.
این امر همان‌طور که در نقشه‌های LDOS شکل (2-ب) نشان داده شده‌است، باعث به‌وجود آمدن الکترون و حفره‌های کوچک در گرافن می‌شود. نواحی قرمز، مناطقی هستند که نقطه دیراک به سمت ولتاژ مثبت نمونه جابه‌جا شده و از این‌رو، این نواحی حفره ـ آلاییده هستند. نواحی آبی با جابه‌جایی نقطه دیراک به ولتاژ منفی نمونه، الکترون ـ آلاییده هستند.
ژانگ و همکارانش همچنین با استفاده از STM، منشأ ناهمگنی فضایی بارها را در گرافن بررسی نموده‌اند. آنها جابه‌جایی نقطه دیراک را رسم نموده و آن را به ناخالصی‌های تصادفی باردار در گرافن نسبت داده‌اند. یکی از ویژگی‌های جالب مطالعه ایشان، مشاهده پراش بازگشتي است. پراش بازگشتي در گرافن تک لایه‌ای، به‌دلیل تقارن باند انرژی تحت بازتاب آینه‌ای ممنوع است (ولی در گرافن دو لایه‌ای مجاز است). اندازه‌گیری گرافن روی پایه SiC، پراش بازگشتي را گزارش نمی‌کند. ژانگ و همکارانش، دلیل مشاهده‌های خود را نتیجه زوال سریع‌تر نوسانات فرایدل چگالی الکترون در گرافن و امکان برخی فرآیندهای شکستگی متقارن توضیح داده‌اند.
اندازه‌گیری‌های STM همراه با تجزیه و تحلیل فضایی، همچنین می‌تواند در بررسی اثر امواج روی الکترون و حفره مورد استفاده قرار گیرد. محاسبات تئوری نشان می‌دهد که حالت موج‌دار بودن در گرافن موجب تغییر پتانسیل الکتروشیمیایی شده و باعث می‌شود که گرافن در نواحی الکترون ـ آلاییده به شدت خمیده شده و در نواحی حفره ـ آلاییده مسطح گردد. با استفاده از تصاویر توپوگرافی STM، خمیدگی‌های گرافن اندازه‌گیری شده و جابه‌جایی‌های پتانسیل الکتروشیمیایی مورد انتظار محاسبه شدند. با مقایسه نقشه فضایی این جابه‌جایی با نقشه dI/dV که مستقیماً با STM ثبت شده‌است، مشاهده می‌شود که همبستگی بین خمیدگی و چگالی موضعي ترازها وجود ندارد. این مقایسه آشکار می‌کند که در نمونه‌های موجود، موج‌های گرافن منبع اصلی ناهمگنی بار نیستند. این امر مدارک بیشتری را برای این ایده فراهم می‌کند که پراش دور برد ناشی از ناخالصی‌های تصادفی باردار نقش مهمی را در ایجاد الکترون و حفره بازی می‌کند.
با استفاده از طیف‌سنجی انسداد کلومبی، نوسانات پتانسیل محلی را می‌توان با توان تفکیک فضایی بيشتري ترسیم نمود. با استفاده از یک نانوذره طلا در نوک سوزن STM، یک حسگر بار ایجاد می‌شود كه مي‌توان سطح نمونه را با آن روبش كرد. با دو مانع تونلی، سوزن به نانوذره و نانوذره به گرافن، می‌توان در نواحی مختلف گرافن به پدیده انسداد کلومبی دست یافت. پیک‌های CB ثبت شده در طیف‌سنجی dI/dV، به‌ویژه به‌علت نوسانات پتانسیل در گرافن منحرف می‌شوند. همان‌طور که در شکل (3) مشاهده می‌شود، این پیک‌ها در نقشه dI/dV به‌صورت حلقه‌هایی که با تغییر ولتاژ سوزن تغییر می‌کنند، نشان داده می‌شوند. ویژگی برجسته این مطالعه، توان تفکیک بی‌سابقه (تقریباً 1 نانومتر) در نقشه‌های پتانسیل منطقه‌ای است که یک پیشرفت بسیار بزرگ در گزارش‌های اخیر 150 نانومتر از اندازه‌گیری‌های SET است.
اندازه‌گیری‌های STM همراه با تجزیه و تحلیل فضایی، همچنین می‌تواند در بررسی اثر امواج روی الکترون و حفره مورد استفاده قرار گیرد. محاسبات تئوری نشان می‌دهد که حالت موج‌دار بودن در گرافن موجب تغییر پتانسیل الکتروشیمیایی شده و باعث می‌شود که گرافن در نواحی الکترون ـ آلاییده به شدت خمیده شده و در نواحی حفره ـ آلاییده مسطح گردد. با استفاده از تصاویر توپوگرافی STM، خمیدگی‌های گرافن اندازه‌گیری شده و جابه‌جایی‌های پتانسیل الکتروشیمیایی مورد انتظار محاسبه شدند. با مقایسه نقشه فضایی این جابه‌جایی با نقشه dI/dV که مستقیماً با STM ثبت شده‌است، مشاهده می‌شود که همبستگی بین خمیدگی و چگالی موضعي ترازها وجود ندارد. این مقایسه آشکار می‌کند که در نمونه‌های موجود، موج‌های گرافن منبع اصلی ناهمگنی بار نیستند. این امر مدارک بیشتری را برای این ایده فراهم می‌کند که پراش دور برد ناشی از ناخالصی‌های تصادفی باردار نقش مهمی را در ایجاد الکترون و حفره بازی می‌کند.
با استفاده از طیف‌سنجی انسداد کلومبی، نوسانات پتانسیل محلی را می‌توان با توان تفکیک فضایی بيشتري ترسیم نمود. با استفاده از یک نانوذره طلا در نوک سوزن STM، یک حسگر بار ایجاد می‌شود كه مي‌توان سطح نمونه را با آن روبش كرد. با دو مانع تونلی، سوزن به نانوذره و نانوذره به گرافن، می‌توان در نواحی مختلف گرافن به پدیده انسداد کلومبی دست یافت. پیک‌های CB ثبت شده در طیف‌سنجی dI/dV، به‌ویژه به‌علت نوسانات پتانسیل در گرافن منحرف می‌شوند. همان‌طور که در شکل (3) مشاهده می‌شود، این پیک‌ها در نقشه dI/dV به‌صورت حلقه‌هایی که با تغییر ولتاژ سوزن تغییر می‌کنند، نشان داده می‌شوند. ویژگی برجسته این مطالعه، توان تفکیک بی‌سابقه (تقریباً 1 نانومتر) در نقشه‌های پتانسیل منطقه‌ای است که یک پیشرفت بسیار بزرگ در گزارش‌های اخیر 150 نانومتر از اندازه‌گیری‌های SET است.
3-1-1- اندازه‌گیری‌های STM روی h-BN
مسئله بی‌نظمی در نمونه‌های گرافن به‌دلیل ناخالصی‌های تصادفی است که قدرت تحرک حامل و توانایی رسیدن به نقطه دیراک را تحت تأثیر قرار می‌دهد. این امر می‌تواند کارایی ابزارهای گرافنی را دچار اختلال کند. یک راهبرد برای حل این مسئله، قرار دادن گرافن روی نیترید بور هگزاگونال (h-BN) است. محاسبات تئوری پیشین، باز شدن یک گاف نواري 50meV را پیش‌بینی می‌كند که به‌دلیل شکستگی متقارن زیرشبکه است. اندازه‌گيری انتقالات الکترونی، یک پیشرفت چشمگیر در قدرت تحرک بدون گاف نواري را نشان می‌دهد. ژو و همکارانش، گرافن روی h-BN را با استفاده از طیف‌سنجی و میکروسکوپی تونل‌زني روبشی بررسی کردند. آنها الگوهای مویره را مشاهده نمودند که هماهنگی گرافن با h-BN را تأیید می‌کرد. آنها همچنین گاف نواري پیش‌بینی شده‌ای را که دلیل آن عدم تطابق گرافن و h-BN توضیح داده شده و تقارن زیرشبکه را حفظ می‌کند، مشاهده نکردند. با اندازه‌گیری‌های طیف‌سنجی منطقه‌ای مشخص شد که نوسانات بار الکترون – حفره در مقایسه با SiO2 دو برابر کاهش می‌یابد. شکل (4)، نوسانات پتانسیل را برای گرافن روی h-BN و SiO2 رسم نموده و بهبود وضعیت را به‌هنگام استفاده از h-BN به‌عنوان پایه، نشان می‌دهد. بنابراین، کیفیت گرافن روی h-BN همانند کیفیت گرافن معلق است، از این رو آزمایش‌های متنوعی را برای بررسی فیزیکی نقطه دیراک امکان‌پذیر نموده است.
4-1-1- اندازه‌گیری‌های SGM
روش میکروسکوپی روبشی گیت نیز یک روش قدرتمند در تهیه نقشه ناهمگنی بار موضعي در گرافن است. اندازه‌گیری‌های SGM روی ورقه گرافن پس از آنیل کردن آن در چگالی پایین جریان، انجام می‌شود. بار موضعي در نقطه خنثی ترسیم شده و ورقه گرافنی در رسانایی متقابل موضعي gm (به‌صورت 
) كه نسبت به رسانایی توده G(VBG) نرمال‌سازی شده‌است، ناهمگنی بار را در اندازه میکرونی نشان می‌دهد. شکل (5)، وابستگی فضایی gm را در طول ورقه گرافن نشان می‌دهد. عمل آنیل کردن در جریانی با چگالی بالاتر سبب می‌شود که در بالاترین رده ناهمگنی قرار گیرد. محققین منشأ این وضعیت را حرارت دیدن نقاط داغ مقاومتی در لایه میانی گرافن ـ فلز یا مهاجرت الکترونی از محل‌های تماس دانسته‌اند. همچنین SGM برای بررسی ترازهاي موضعي، نوسانات رسانایی عمومی، موضع‌يابي ضعيف و تماس‌هاي نقاط کوانتومی در ابزارهای گرافنی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
مطالعات SGM در حالت تماسی با استفاده از یک نانوسیم فلزی پوشش داده شده با عایق به‌عنوان گیت روبش، روی ترانزیستورهای گرافنی اثر میدان انجام شده‌است. نواحی الکترون ـ آلاییده و حفره ـ آلاییده با SGM تصویربرداری شده‌اند. مشخص شده‌است که آلایند‌هاي خارجي از محل‌های تماس، نقص‌ها و پس‌ماندهای مقاوم در نوسانات فضایی چگالی حامل شرکت می‌کنند.
مطالعات SGM در حالت تماسی با استفاده از یک نانوسیم فلزی پوشش داده شده با عایق به‌عنوان گیت روبش، روی ترانزیستورهای گرافنی اثر میدان انجام شده‌است. نواحی الکترون ـ آلاییده و حفره ـ آلاییده با SGM تصویربرداری شده‌اند. مشخص شده‌است که آلایند‌هاي خارجي از محل‌های تماس، نقص‌ها و پس‌ماندهای مقاوم در نوسانات فضایی چگالی حامل شرکت می‌کنند.
2-1- پراش و نقص‌ها
هر گونه اختلال الکترونیکی یا ساختاری در شبکه لانه زنبوری گرافن با عنوان نقص بیان می‌شود. نقص‌ها در گرافن می‌توانند در طول فرآیند رشد و یا فرآوری گرافن به‌وجود آیند. بسته به دامنه نقص‌ها، نقص‌های موضعي یا نقص‌های گسترده، ویژگی‌های الکترونیکی، نوری و انتقالی گرافن تغییر می‌کند.
تصاویر STM گرافن ورقه‌ای روی SiO2، نقص‌های نقطه‌ای را نشان می‌دهد. این نقص‌ها، همان‌طور که در شکل (6-الف) مشاهده می‌شود، باعث پراکندگی کوتاه برد می‌شوند. نقشه‌های dI/dV ثبت شده در Ef، با توجه به پراکندگی الکترون‌هاي ناشی از نقص‌های کوتاه برد، الگوهای تداخلی را نشان می‌دهند. شکل (6-ب) تبدیل فوریه این نقشه را ترسیم کرده و الگوی تداخلی
را نشان می‌دهد. شش پیک در نقاط K± نتیجه پدیده‌های پراش کوتاه برد است.
تصاویر STM گرافن ورقه‌ای روی SiO2، نقص‌های نقطه‌ای را نشان می‌دهد. این نقص‌ها، همان‌طور که در شکل (6-الف) مشاهده می‌شود، باعث پراکندگی کوتاه برد می‌شوند. نقشه‌های dI/dV ثبت شده در Ef، با توجه به پراکندگی الکترون‌هاي ناشی از نقص‌های کوتاه برد، الگوهای تداخلی را نشان می‌دهند. شکل (6-ب) تبدیل فوریه این نقشه را ترسیم کرده و الگوی تداخلی
.
همچنین می‌توان نقص‌ها را به‌صورت عمدی وارد شبکه گرافن کرد تا در ساختار آن اختلال ایجاد کرده و اثر آن را در اختلال بررسی نمود. برای چنین موردی، گرافن رشد یافته روی Pt(111) که به‌منظور ایجاد نقص در معرض تابش یون‌های ⁺Ar قرار گرفته است، با STM در UHV در K6 مطالعه شد. شکل (7-الف) توپوگرافی سطح را بعد از تابش نشان می‌دهد. یون‌ها به‌صورت برآمدگی‌های کشیده شده‌ای که بیش از ثابت‌های دو شبکه گسترش یافته و با ناحیه درخشان 1nm احاطه گردیده‌اند، مشاهده می‌شوند. نقاط طیفی dI/dV در شکل (7-ب) ترسیم شده و یک رزنانس وسیع الکترونیکی که در 500meV+ متمرکز شده و به پیوندهای π غیرمستقر اتم‌های زیرشبکه نزدیک به محل ایجاد نقص نسبت داده می‌شود، قابل مشاهده است.
این نوع شیارها در گرافن ورقه‌ای روی SiO2 با عنوان چین‌خوردگی شناخته شده و در مطالعات STM گزارش شده‌اند. این شیارها دارای عرضی در حدود 10nm و ارتفاع 3nm هستند که به جای شبکه معمول هگزاگونالی به‌صورت شبکه مثلثی شناسایی شده‌اند. شکل (8-الف) تصویر توپوگرافی STM است که یکی از این چین‌خوردگی‌ها را نشان می‌دهد. شکل (8-ب) طیف dI/dV اندازه‌گیری شده در بالای این چین‌خوردگی را نمایش مي‌دهد كه رسانایی آن از طیف dI/dV روی گرافن کمتر است و ناحیه‌ای با رسانایی پایین را نمایان می‌سازد. اين امر احتمالاً به دليل اختلال ساختاری آشکاری است که پیوندهای π را غیرمستقر می‌سازد. نقطه دیراک را می‌توان با شیب dI/dV که در گرافن مشاهده می‌شود، شناسایی کرد که البته در این چین‌خوردگی وجود ندارد. این امر با احتمال تراز شکاف میانی که بر اثر چین‌خوردگی که موجب چگالي محدود ترازها در نقطه دیراک است، توضیح داده می‌شود.
گرافن هم‌بافته نیز دارای موج است. لایه حائل کربنی نیز همواره در لایه میانی SiC- گرافن وجود دارد. این لایه، گرافن را از پایه جدا می‌کند. به‌دلیل برهم‌کنش ضعیف بین لایه گرافن و لایه حائل کربن، موج‌های 6×6 SiC به‌وجود می‌آیند. این موج‌ها دارای دامنه 0/04nm و طول موج 1/9nm است.
گرافن هم‌بافته نیز دارای موج است. لایه حائل کربنی نیز همواره در لایه میانی SiC- گرافن وجود دارد. این لایه، گرافن را از پایه جدا می‌کند. به‌دلیل برهم‌کنش ضعیف بین لایه گرافن و لایه حائل کربن، موج‌های 6×6 SiC به‌وجود می‌آیند. این موج‌ها دارای دامنه 0/04nm و طول موج 1/9nm است.
در تولید گرافن هم‌بافته روی SiC، برای تصعید اتم‌های Si از SiC، دمای بسیار بالایی مورد نیاز است. این امر باعث ایجاد نقص‌هایی می‌شود که بر اثر جابه‌جایی اتم‌های کربن به‌وجود می‌آید. بررسی‌ها نشان می‌دهند که حلقه‌هایی با پنج و هفت عضو به‌صورت حلقه‌های بسته‌ای، گرد هم آمده و حلقه مرز دانه‌ای را در شبکه لانه زنبوری تشکیل می‌دهند. تصاویر STM حلقه مرز دانه‌ای را با شکلی شبیه به گل به تصویر می‌کشد. مطالعات انجام شده نشان می‌دهند که این نقص‌های به شکل گل دارای کمترین انرژی در هسته جابه‌جایی بوده و بنابراین فرآیند رشد را به‌صورت ترکیبی از جابه‌جایی‌های متحرک بیان می‌کنند.
همچنین نقص‌های شبکه‌ای گرافن دو لایه‌ای روی SiC با استفاده از STM تصویربرداری شده‌اند. نقشه dI/dV که به‌صورت هم‌زمان با تصویر توپوگرافی ثبت شده‌است، الگوهای تداخلی که هم از پراکندگی دور برد و هم از پراکندگی کوتاه برد ناشی می‌شود را نشان می‌دهد. در مورد این موضوع بعداً در بخشي جداگانه در طیف‌سنجی دو لایه‌ای بحث خواهد شد.
همچنین نقص‌های شبکه‌ای گرافن دو لایه‌ای روی SiC با استفاده از STM تصویربرداری شده‌اند. نقشه dI/dV که به‌صورت هم‌زمان با تصویر توپوگرافی ثبت شده‌است، الگوهای تداخلی که هم از پراکندگی دور برد و هم از پراکندگی کوتاه برد ناشی می‌شود را نشان می‌دهد. در مورد این موضوع بعداً در بخشي جداگانه در طیف‌سنجی دو لایه‌ای بحث خواهد شد.
3-1-رژیم کوانتوم هال
اثر کوانتوم هال در سامانه‌های دو بعدی گاز الکترون در دمای پایین و در میدان مغناطیسی عمودی قوی مشاهده می‌شود. این اثر خود را به‌صورت مجموعه پله‌هایی در رسانایی هال σxy و به‌صورت تابعی از میدان مغناطیسی آشکار می‌کند. در مورد گرافن تک لایه‌ای، رشته با 
داده می‌شود که عدد 4 به دليل یک جفت اسپین و از بین رفتن شیار است، n شاخص سطح لاندو (LL) است. σxy به اندازه ½ از رشته عادی 2DEG QHE به‌دلیل طبیعت فرمیون دیراک حامل‌های بار جابه‌جا می‌شود. همچنین وجود سطح کوانتیزه شده در n=0، که در آن الکترون‌ها و حفره‌ها از بین می‌روند، فقط به گرافن اختصاص دارد.
نخستین بار، QHE در گرافن ورقه‌ای روی SiO2 و در اندازه‌گیری‌های انتقالی روی نمونه‌‌ای به‌صورت الکترود نواری شکل هال مشاهده شد. در میدان مغناطیسی بسیار بالا مقاومت طولی Rxx ناپدید می‌شود، در حالی که مقاومت عرضی Rxy همان‌طور که در QHE انتظار می‌رود، حالت مسطح را نشان می‌دهد.
بررسی‌های سطوح لاندو (LL) در گرافن با STM، یک ویژگی مهم بنیادی گرافن را نمایان می‌سازد، که حالت انرژی صفر در گرافن، LL0، است. سطوح لاندو در انرژی به‌صورت نابرابر تقسیم شده‌اند و هم با ریشه دوم میدان مغناطیسی و هم با شاخص LL تغییر می‌کنند. اندازه‌گیری‌های طیف‌سنجی تونلی(STS) در 4/3K روی 1±10 لایه گرافنی که روی صفحه کربنی 4H-SiC(0001⁻) حكاكي شده با هیدروژن نشانده شده‌است، انجام گردید. میدان مغناطیسی از 1T تا 8T تغییر داده شد. در شکل (17)، dI/dV که به‌صورت تابعی از انرژی در میدان مغناطیسی 5T ترسیم شده، نشان داده شده‌است. در این جا، پیک LL0 در 7meV و شکاف‌های بین LL، LL0، LL1 رفتار فرمیون بدون جرم دیراک را تأیید می‌کند. این امر همچنین نشان می‌دهد که بالاترین لایه گرافن به‌طور مؤثری از لایه‌های دیگر و نیز از لایه زیرین پایه SiC جدا شده‌است.
علاوه‌بر گرافن ورقه‌ای با پایه SiO2 و گرافن هم‌بافته با پایه SiC، گرافن می‌تواند روی پایه گرافیت نیز مطالعه شود. این نوع از گرافن نخستین بار توسط لی و همکارانش بررسی شد. آنها رفتار فرمیون‌های بدون جرم دیراک و فرمیون‌های عظیم دیراک را درسطح HOPG (گرافیت پیرولیتیک بسیار جهت یافته) با اندازه‌گیری‌های STS در 4/4K و میدان‌های مغناطیسی بالاتر از 12T بررسی کردند. برای فرمیون‌های بدون جرم دیراک در گرافن تک لایه‌ای، انرژی LL با
و با شاخص سطح به‌صورت n
تغییر می‌کند. برای فرمیون‌های عظیم دیراک در گرافن دو لایه‌ای، انرژی LL به‌صورت خطی با B و با شاخص سطح به‌صورت 
تغییر می‌کند.
نخستین بار، QHE در گرافن ورقه‌ای روی SiO2 و در اندازه‌گیری‌های انتقالی روی نمونه‌‌ای به‌صورت الکترود نواری شکل هال مشاهده شد. در میدان مغناطیسی بسیار بالا مقاومت طولی Rxx ناپدید می‌شود، در حالی که مقاومت عرضی Rxy همان‌طور که در QHE انتظار می‌رود، حالت مسطح را نشان می‌دهد.
بررسی‌های سطوح لاندو (LL) در گرافن با STM، یک ویژگی مهم بنیادی گرافن را نمایان می‌سازد، که حالت انرژی صفر در گرافن، LL0، است. سطوح لاندو در انرژی به‌صورت نابرابر تقسیم شده‌اند و هم با ریشه دوم میدان مغناطیسی و هم با شاخص LL تغییر می‌کنند. اندازه‌گیری‌های طیف‌سنجی تونلی(STS) در 4/3K روی 1±10 لایه گرافنی که روی صفحه کربنی 4H-SiC(0001⁻) حكاكي شده با هیدروژن نشانده شده‌است، انجام گردید. میدان مغناطیسی از 1T تا 8T تغییر داده شد. در شکل (17)، dI/dV که به‌صورت تابعی از انرژی در میدان مغناطیسی 5T ترسیم شده، نشان داده شده‌است. در این جا، پیک LL0 در 7meV و شکاف‌های بین LL، LL0، LL1 رفتار فرمیون بدون جرم دیراک را تأیید می‌کند. این امر همچنین نشان می‌دهد که بالاترین لایه گرافن به‌طور مؤثری از لایه‌های دیگر و نیز از لایه زیرین پایه SiC جدا شده‌است.
علاوه‌بر گرافن ورقه‌ای با پایه SiO2 و گرافن هم‌بافته با پایه SiC، گرافن می‌تواند روی پایه گرافیت نیز مطالعه شود. این نوع از گرافن نخستین بار توسط لی و همکارانش بررسی شد. آنها رفتار فرمیون‌های بدون جرم دیراک و فرمیون‌های عظیم دیراک را درسطح HOPG (گرافیت پیرولیتیک بسیار جهت یافته) با اندازه‌گیری‌های STS در 4/4K و میدان‌های مغناطیسی بالاتر از 12T بررسی کردند. برای فرمیون‌های بدون جرم دیراک در گرافن تک لایه‌ای، انرژی LL با
در مطالعه دیگری روی نمونه‌های گرافن مشابه، تصاویر STM از جدا شدن ورقه گرافن تهیه شده‌است که شبکه هگزاگونالی بالاترین لایه و شبکه مثلثی در لایه زیر بالاترین لایه را نشان می‌دهد. همان‌طور که در شکل (3) مقاله بخش اول نشان داده شده‌است، هر دو لایه با مرزی طولانی از سطح گرافیت جدا شده‌اند. در یک بررسی جزئی‌تر طیف‌سنجی که در مورد جدایی لایه گرافن انجام شده‌است (شکل 10-الف)، همه نشانه‌های ویژه گرافن مانند طیف خطی dI/dV مشاهده می‌شود. شکل (10-ج) اثر تغییر میدان مغناطیسی از 0T تا 10T را ترسیم می‌کند. با افزایش میدان، طیف رشته پیک‌های به خوبی تعریف شده LL را نشان می‌دهد. شکل (10-د) رسم پیک‌های انرژی به‌صورت تابعی از را نشان می‌دهد كه همان‌گونه که انتظار می‌رود، اعداد در یک خط مستقیم قرار می‌گیرند. نشانه‌ها به پیک‌ها مربوط هستند. خط با رابطه
n=0, ±1, ±2, متناسب است. ED انرژی نقطه دیراک و νF انرژی فرمی است.
4-1- کرنش و میدان شبه مغناطیسی
از گرافن رشد یافته روی صفحه Pt(111) برای سنجش این پیش‌بینی اساسی استفاده شد، که اعوجاج شبکه گرافن موجب به‌وجود آمدن میدان شبه مغناطیسی می‌شود. اعمال میدانی با تقارن مثلثي شكل، می‌تواند میدان شبه مغناطیسی Bs با بزرگی بیش از ده‌ها تسلا به‌وجود آورد. نیروی کرنش از میدان مغناطیسی ایجاد می‌شود که می‌توان با استفاده از رابطه زیر به‌دست آورد:
که در آن h: ارتفاع، l: عرض، a: مرتبه طول پیوند C-C، شارش کوانتومی و β: مربوط به تغییرات دامنه جهشی است که بین نزدیک‌ترین اتم‌های کربن مجاور روی می‌دهد. برای گرافن مقدار β بین 2 و 3 است، و برای شارش در موج در یک صفحه اعوجاج یافته گرافن کاربرد دارد.
با رشد تک لایه پوششی گرافن در UHV با قرار دادن Pt(111) در معرض اتیلن و سپس آنیل نمودن آن، گرافن اعوجاج یافته با حباب‌های نانویی روی سطح Pt(111) به‌وجود می‌آید. نانو حباب‌ها به‌صورت ساختاری به بلندی 2-0/3 نانومتر و عرض 10-4 نانومتر به تصویر کشیده شده‌اند. شکل (11-الف) توپوگرافی نانو حباب‌ها را نشان می‌دهد. طیف dI/dV که از روی یک نانوحباب تهيه شده‌است، پیک‌هایی را نشان می‌دهد که با فاصله بیش از 100meV جدا شده‌اند. این پیک‌ها به سطوح لاندو (LL) که از کرنش ناشی از میدان مغناطیسی به‌وجود آمده‌اند، نسبت داده می‌شوند. این پیک‌ها از رفتار مقیاس‌پذیری که برای فرمیون‌های بدون جرم دیراک در تک لایه گرافن انتظار می‌رود، پیروی می‌کنند. مقدار Bs از فاصله پیک در نقاط متفاوت روی حباب به‌دست می‌آید. در مرکز نانوحباب، مقدار Bs از 300T تا 400T تغییر می‌كند. شکل (11-ب) وابستگی فضایی میدان مغناطیسی موثر را نشان می‌دهد. در لبه‌های نانوحباب، تغییرپذیری‌های بیشتری مشاهده می‌شود.
نتيجه‌گيري
در اين مقاله، بررسی گرافن با روش‌های پروبی روبشی با جزئیات کامل شرح داده شده‌است. این روش‌ها در روشن نمودن ارتباط بین ساختار و خواص الکتریکی گرافن مفید هستند. تصویربرداری در مقیاس اتمی و اندازه‌گیری‌های طیف‌سنجی با توان تفکیک فضایی به درک مکانیسم پراکندگی در نمونه‌های گرافنی کمک مي‌نمايد. اطلاعات فضایی که با این اندازه‌گیری‌ها فراهم شده‌است، دارای مزیتی فراتر از اندازه‌گیری‌های انتقالی کلی است که موقعیت نقطه دیراک و قابلیت تحرک را برای کل نمونه گرافنی فراهم می‌آورد. در نظر گرفتن بی‌نظمی‌های میکروسکوپی داخلی به‌صورت تابعی از موقعیت، برگرفته از یک دیدگاه بنیادین است. چنین اطلاعات پایه‌ای برای پیشرفت این حوزه مهم است، به‌عنوان مثال، بررسی دقیق غیریکنواختی بار در نمونه‌های گرافنی روی SiO2 منجر به رویکردی مانند استفاده از h-BN در زیر گرافن گردید تا نمونه‌هایی با بی‌نظمی‌های کمتر ساخته شود. روش STM در تأیید پیش‌بینی‌های تئوری مانند کرنش ناشی از میدان مغناطیسی و کوانتیزه شدن سطح لاندو در گرافن کمک نموده است. روش STM یک ابزار تصویربرداری ایده‌آل برای بررسی کیفیت نمونه‌های گرافن است، به‌ویژه هنگامی که روش‌های جدیدی مانند تجزیه حرارتی اتیلن برای رشد گرافن کشف می‌شود. عامل‌دار نمودن شيميايي گرافن برای دست‌یابی به هدف باز شدن گاف نواري در گرافن همچنان در حال پیشرفت است. بنابراین، میکروسکوپی پروبی روبشی یک وسیله ضروری برای پیشبرد تحقیقات در مورد گرافن است.
منابـــع و مراجــــع
۱ – Msc. Physical chemistry, Research institute of Petroleum Industry, CatalysisNanotechnology Research Division
۲ – Msc. Physics solid state, MaterialsEnergy Research Center (MERC), semiconductors department, material characterization laboratory
۳ – Msc. Analytical chemistry, Research institute of Petroleum Industry, CatalysisNanotechnology Research Division
۴ – Iran Nanotechnology Laboratory Network, SPM Experts work group.
