Band gap opening in graphene by hybridization with Au (001) reconstructed surfaces

Hex-Au(001)再構成表面とグラフェンの軌道混成によるバンドギャップの形成

寺澤 知潮   ; 松永 和也*; 林 直輝*; 伊藤 孝寛*; 田中 慎一郎*; 保田 諭   ; 朝岡 秀人  

Terasawa, Tomoo; Matsunaga, Kazuya*; Hayashi, Naoki*; Ito, Takahiro*; Tanaka, Shinichiro*; Yasuda, Satoshi; Asaoka, Hidehito

金(001)表面は、六角形の表面と正方形のバルク格子からなる複雑な再構成構造[Hex-Au(001)]を示し、擬一次元的な波状表面を形成している。この表面上にグラフェンを成長させると、波状表面の周期性がグラフェンの電子構造を変化させ、バンドギャップや新しいディラックポイントを形成することが予測された。さらに、グラフェン-金界面はバンド混成によるバンドギャップ生成やスピン注入の可能性が期待される。ここでは、Hex-Au(001)表面上のグラフェンについて、角度分解光電子分光と密度汎関数計算を行った結果を報告する。元のグラフェンとレプリカのグラフェンのバンドの交点はバンドギャップを示さず、一次元ポテンシャルが小さすぎて電子構造を変更できないことが示唆された。グラフェンバンドとAu バンドの交点では0.2eVのバンドギャップが観測され、グラフェンバンドとAu バンドの混成を利用してバンドギャップが生成していることが示された。また、グラフェンとAu の混成により、グラフェンへのスピン注入が起こることが予想される。

Au(001) surfaces exhibit a complex reconstructed structure [Hex-Au(001)] comprising a hexagonal surface and square bulk lattices, yielding a quasi-one-dimensional corrugated surface. When graphene was grown on this surface, the periodicity of the corrugated surface was predicted to change the electronic structure of graphene, forming bandgaps and new Dirac points. Furthermore, the graphene-Au interface is promising for bandgap generation and spin injection due to band hybridization. Here, we report the angle-resolved photoemission spectroscopy and density functional calculation of graphene on a Hex-Au(001) surface. The crossing point of the original and replica graphene bands showed no bandgap, suggesting that the one-dimensional potential was too small to modify the electronic structure. A bandgap of 0.2 eV was observed at the crossing point of the graphene and Au bands, indicating that the bandgap is generated using hybridization of the graphene and Au bands. We discussed the hybridization mechanism and concluded that the R30 configuration between graphene and Au and an isolated electronic structure of Au are essential for effective hybridization between graphene and Au. We anticipate that hybridization between graphene and Au would result in spin injection into graphene.