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Controlled growth of boron-doped epitaxial graphene by thermal decomposition of a B$$_{4}$$C thin film

B$$_{4}$$C薄膜の熱分解によるホウ素ドープエピタキシャルグラフェンの制御された成長

乗松 航*; 松田 啓太*; 寺澤 知潮; 高田 奈央*; 増森 淳史*; 伊藤 圭太*; 小田 晃司*; 伊藤 孝寛*; 遠藤 彰*; 舟橋 良次*; 楠 美智子*

Norimatsu, Wataru*; Matsuda, Keita*; Terasawa, Tomoo; Takata, Nao*; Masumori, Atsushi*; Ito, Keita*; Oda, Koji*; Ito, Takahiro*; Endo, Akira*; Funahashi, Ryoji*; Kusunoki, Michiko*

炭化珪素(SiC)基板上にエピタキシャル成長した炭化ホウ素(B$$_{4}$$C)薄膜の熱分解によって、ホウ素をドープしたエピタキシャルグラフェンが成長することを示した。SiC上のB$$_{4}$$CとB$$_{4}$$C上のグラフェンの界面は、一定の方位関係を持ち、ダングリングボンドのない安定した構造を局所的に持っていた。B$$_{4}$$Cの最初の炭素層はバッファー層として機能し、その上にグラフェンが積層していた。B$$_{4}$$C上のグラフェンは、ホウ素が高濃度にドープされており、正孔濃度は2$$times$$10$$^{13}$$ - 2$$times$$10$$^{15}$$ cm$$^{-2}$$の広い範囲で制御できた。高濃度にホウ素をドープしたグラフェンはスピングラス挙動を示し、これはスピンフラストレーションシステムにおける局所的な反強磁性秩序の存在を示唆している。炭化物の熱分解は、さまざまな用途向けの新しいの機能エピタキシャルグラフェンをウェーハスケールで得るための技術であると期待できる。

We show that boron-doped epitaxial graphene can be successfully grown by thermal decomposition of a boron carbide thin film, which can also be epitaxially grown on a silicon carbide substrate. The interfaces of B$$_{4}$$C on SiC and graphene on B$$_{4}$$C had a fixed orientation relation, having a local stable structure with no dangling bonds. The first carbon layer on B$$_{4}$$C acts as a buffer layer, and the overlaying carbon layers are graphene. Graphene on B$$_{4}$$C was highly boron doped, and the hole concentration could be controlled over a wide range of 2$$times$$10$$^{13}$$ to 2$$times$$10$$^{15}$$ cm$$^{-2}$$. Highly boron-doped graphene exhibited a spin-glass behavior, which suggests the presence of local antiferromagnetic ordering in the spin-frustration system. Thermal decomposition of carbides holds the promise of being a technique to obtain a new class of wafer-scale functional epitaxial graphene for various applications.

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パーセンタイル:100

分野:Nanoscience & Nanotechnology

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