We report on the fabrication and characterization of high-quality chemical vapor-deposited (CVD) bilayer graphene (BLG). In particular, we demonstrate that CVD-grown BLG can be detached mechanically from the copper foil by a hexagonal boron nitride (hBN) crystal after oxidation of the copper-to-BLG interface. Confocal Raman spectroscopy reveals an AB-stacking order of the BLG crystals and a high structural quality. From transport measurements on fully encapsulated hBN/BLG/hBN Hall bar devices, we extract charge carrier mobilities up to 180 000 cm2/(Vs) at 2 K and up to 40 000 cm2/(Vs) at 300 K, outperforming state-of-the-art CVD bilayer graphene devices. Moreover, we show an on-off ratio of more than 10 000 and a band gap opening with values of up to 15 meV for a displacement field of 0.2 V/nm in such CVD grown BLG.
References
1.
E.
McCann
and M.
Koshino
, Rep. Prog. Phys.
76
, 056503
(2013
).2.
K. S.
Novoselov
, E.
McCann
, S. V.
Morozov
, V. I.
Fal'ko
, M. I.
Katsnelson
, U.
Zeitler
, D.
Jiang
, F.
Schedin
, and A. K.
Geim
, Nat. Phys.
2
, 177
(2006
).3.
A.
Varlet
, D.
Bischoff
, P.
Simonet
, K.
Watanabe
, T.
Taniguchi
, T.
Ihn
, K.
Ensslin
, M.
Mucha-Kruczynski
, and V. I.
Fal'ko
, Phys. Rev. Lett.
113
, 116602
(2014
).4.
Y.
Shimazaki
, M.
Yamamoto
, I. V.
Borzenets
, K.
Watanabe
, T.
Taniguchi
, and S.
Tarucha
, Nat. Phys.
11
, 1032
(2015
).5.
M.
Sui
, G.
Chen
, L.
Ma
, W.-Y.
Shan
, D.
Tian
, K.
Watanabe
, T.
Taniguchi
, X.
Jin
, W.
Yao
, D.
Xiao
, and Y.
Zhang
, Nat. Phys.
11
, 1027
(2015
).6.
E.
McCann
and V. I.
Fal'ko
, Phys. Rev. Lett.
96
, 086805
(2006
).7.
H.
Min
, B.
Sahu
, S. K.
Banerjee
, and A. H.
MacDonald
, Phys. Rev. B
75
, 155115
(2007
).8.
J. B.
Oostinga
, H. B.
Heersche
, X.
Liu
, A. F.
Morpurgo
, and L. M. K.
Vandersypen
, Nat. Mater.
7
, 151
(2007
).9.
Y.
Hao
, L.
Wang
, Y.
Liu
, H.
Chen
, X.
Wang
, C.
Tan
, S.
Nie
, J. W.
Suk
, T.
Jiang
, T.
Liang
, J.
Xiao
, W.
Ye
, C. R.
Dean
, B. I.
Yakobson
, K. F.
McCarty
, P.
Kim
, J.
Hone
, L.
Colombo
, and R. S.
Ruoff
, Nat. Nanotechnol.
11
, 426
(2016
).10.
L.
Liu
, H.
Zhou
, R.
Cheng
, W. J.
Yu
, Y.
Liu
, Y.
Chen
, J.
Shaw
, X.
Zhong
, Y.
Huang
, and X.
Duan
, ACS Nano
6
, 8241
(2012
).11.
Y.
Hao
, M. S.
Bharathi
, L.
Wang
, Y.
Liu
, H.
Chen
, S.
Nie
, X.
Wang
, H.
Chou
, C.
Tan
, B.
Fallahazad
, H.
Ramanarayan
, C. W.
Magnuson
, E.
Tutuc
, B. I.
Yakobson
, K. F.
McCarty
, Y.-W.
Zhang
, P.
Kim
, J.
Hone
, L.
Colombo
, and R. S.
Ruoff
, Science
342
, 720
(2013
).12.
X.
Li
, C. W.
Magnuson
, A.
Venugopal
, R. M.
Tromp
, J. B.
Hannon
, E. M.
Vogel
, L.
Colombo
, and R. S.
Ruoff
, J. Am. Chem. Soc.
133
, 2816
(2011
).13.
S.
Chen
, H.
Ji
, H.
Chou
, Q.
Li
, H.
Li
, J. W.
Suk
, R.
Piner
, L.
Liao
, W.
Cai
, and R. S.
Ruoff
, Adv. Mater.
25
, 2062
(2013
).14.
H.
Zhou
, W. J.
Yu
, L.
Liu
, R.
Cheng
, Y.
Chen
, X.
Huang
, Y.
Liu
, Y.
Wang
, Y.
Huang
, and X.
Duan
, Nat. Commun.
4
, 2096
(2013
).15.
N.
Petrone
, C. R.
Dean
, I.
Meric
, A. M.
van der Zande
, P. Y.
Huang
, L.
Wang
, D.
Muller
, K. L.
Shepard
, and J.
Hone
, Nano Lett.
12
, 2751
(2012
).16.
L.
Wang
, I.
Meric
, P. Y.
Huang
, Q.
Gao
, Y.
Gao
, H.
Tran
, T.
Taniguchi
, K.
Watanabe
, L. M.
Campos
, D. A.
Muller
, J.
Guo
, P.
Kim
, J.
Hone
, K. L.
Shepard
, and C. R.
Dean
, Science
342
, 614
(2013
).17.
J. W.
Suk
, A.
Kitt
, C. W.
Magnuson
, Y.
Hao
, S.
Ahmed
, J.
An
, A. K.
Swan
, B. B.
Goldberg
, and R. S.
Ruoff
, ACS Nano
5
, 6916
(2011
).18.
L.
Banszerus
, M.
Schmitz
, S.
Engels
, J.
Dauber
, M.
Oellers
, F.
Haupt
, K.
Watanabe
, T.
Taniguchi
, B.
Beschoten
, and C.
Stampfer
, Sci. Adv.
1
, e1500222
(2015
).19.
L.
Banszerus
, M.
Schmitz
, S.
Engels
, M.
Goldsche
, K.
Watanabe
, T.
Taniguchi
, B.
Beschoten
, and C.
Stampfer
, Nano Lett.
16
, 1387
(2016
).20.
C. R.
Dean
, A. F.
Young
, I.
Meric
, C.
Lee
, L.
Wang
, S.
Sorgenfrei
, K.
Watanabe
, T.
Taniguchi
, P.
Kim
, K. L.
Shepard
, and J.
Hone
, Nat. Nanotechnol.
5
, 722
(2010
).21.
R. V.
Gorbachev
, I.
Riaz
, R. R.
Nair
, R.
Jalil
, L.
Britnell
, B. D.
Belle
, E. W.
Hill
, K. S.
Novoselov
, K.
Watanabe
, T.
Taniguchi
, A. K.
Geim
, and P.
Blake
, Small
7
, 465
(2011
).22.
J.
Yan
, Y.
Zhang
, P.
Kim
, and A.
Pinczuk
, Phys. Rev. Lett.
98
, 166802
(2007
).23.
S.
Pisana
, M.
Lazzeri
, C.
Casiraghi
, K. S.
Novoselov
, A. K.
Geim
, A. C.
Ferrari
, and F.
Mauri
, Nat. Mater.
6
, 198
(2007
).24.
D.
Graf
, F.
Molitor
, K.
Ensslin
, C.
Stampfer
, A.
Jungen
, C.
Hierold
, and L.
Wirtz
, Nano Lett.
7
, 238
(2007
).25.
F.
Herziger
, M.
Calandra
, P.
Gava
, P.
May
, M.
Lazzeri
, F.
Mauri
, and J.
Maultzsch
, Phys. Rev. Lett.
113
, 187401
(2014
).26.
C.
Neumann
, S.
Reichardt
, P.
Venezuela
, M.
Drögeler
, L.
Banszerus
, M.
Schmitz
, K.
Watanabe
, T.
Taniguchi
, F.
Mauri
, B.
Beschoten
, S. V.
Rotkin
, and C.
Stampfer
, Nat. Commun.
6
, 8429
(2015
).27.
N. J.
Couto
, D.
Costanzo
, S.
Engels
, D.-K.
Ki
, K.
Watanabe
, T.
Taniguchi
, C.
Stampfer
, F.
Guinea
, and A. F.
Morpurgo
, Phys. Rev. X
4
, 041019
(2014
).28.
S.
Engels
, B.
Terrés
, F.
Klein
, S.
Reichardt
, M.
Goldsche
, S.
Kuhlen
, K.
Watanabe
, T.
Taniguchi
, and C.
Stampfer
, Phys. Status Solidi B
251
, 2545
(2014
).29.
L.
Banszerus
, H.
Janssen
, M.
Otto
, A.
Epping
, T.
Taniguchi
, K.
Watanabe
, B.
Beschoten
, D.
Neumaier
, and C.
Stampfer
, 2D Mater.
4
, 025030
(2017
).30.
J.
Yan
, M.-H.
Kim
, J.
Elle
, A.
Sushkov
, G.
Jenskins
, H.
Milchberg
, M.
Fuhrer
, and H.
Drew
, Nat Nanotechnol.
7
, 472
(2012
).31.
A. H.
Castro Neto
, F.
Guinea
, N. M. R.
Peres
, K. S.
Novoselov
, and A. K.
Geim
, Rev. Mod. Phys.
81
, 109
(2009
).32.
While we used the same fitting range at all temperatures for the hole side (n < 0), there is ballistic transport evolving at lower temperatures above n = 1012 cm−2 on the electron side. We therefore have to restrict the Drude fit, which only applies for diffusive transport, to lower carrier densities below 160 K where the σ vs. n dependence also becomes linear towards lower n values (black dotted line for n > 0 at T = 2 K). On the hole side, the σ vs. n slope also becomes steeper towards the CNP at lower temperatures. The extracted hole mobilities are thus conservative estimates at lower temperatures. For example, if we use the same fitting region as for the electron transport at 2 K we extract hole mobilities of 100,000 cm2/(Vs).
33.
S.
Engels
, B.
Terrés
, A.
Epping
, T.
Khodkov
, K.
Watanabe
, T.
Taniguchi
, B.
Beschoten
, and C.
Stampfer
, Phys. Rev. Lett.
113
, 126801
(2014
).34.
M. J.
Zhu
, A. V.
Kretinin
, M. D.
Thompson
, D. A.
Bandurin
, S.
Hu
, G. L.
Yu
, J.
Birkbeck
, A.
Mishchenko
, I. J.
Vera-Marun
, K.
Watanabe
, T.
Taniguchi
, M.
Polini
, J. R.
Prance
, K. S.
Novoselov
, A. K.
Geim
, and M.
Ben Shalom
, Nat. Commun.
8
, 14552
(2017
).35.
L. M.
Zhang
, Z. Q.
Li
, D. N.
Basov
, M. M.
Fogler
, Z.
Hao
, and M. C.
Martin
, Phys. Rev. B
78
, 235408
(2008
).36.
Y.
Zhang
, T.-T.
Tang
, C.
Girit
, Z.
Hao
, M. C.
Martin
, A.
Zettl
, M. F.
Crommie
, Y. R.
Shen
, and F.
Wang
, Nature
459
, 820
(2009
).37.
E.
McCann
, Phys. Rev. B
74
, 161403
(2006
).38.
T.
Taychatanapat
and P.
Jarillo-Herrero
, Phys. Rev. Lett.
105
, 166601
(2010
).39.
J. S.
Alden
, A. W.
Tsen
, P. Y.
Huang
, R.
Hovden
, L.
Brown
, J.
Park
, D. A.
Muller
, and P. L.
McEuen
, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
110
, 11256
(2013
).40.
P.
San-Jose
, R. V.
Gorbachev
, A. K.
Geim
, K. S.
Novoselov
, and F.
Guinea
, Nano Lett.
14
, 2052
(2014
).41.
L.-J.
Yin
, H.
Jiang
, J.-B.
Qiao
, and L.
He
, Nat. Commun.
7
, 11760
(2016
).42.
L.
Ju
, Z.
Shi
, N.
Nair
, Y.
Lv
, C.
Jin
, J.
Velasco
, Jr., C.
Ojeda-Aristizabal
, H. A.
Bechtel
, M. C.
Martin
, A.
Zettl
, J.
Analytis
, and F.
Wang
, Nature
520
, 650
(2015
).© 2017 Author(s).
2017
Author(s)
You do not currently have access to this content.
