쿨롱 불순물 스캐닝 터널링 현미경 연구 게이트 - 조정 가능한 그래 핀 장치의 제작
Summary
This paper details the fabrication process of a gate-tunable graphene device, decorated with Coulomb impurities for scanning tunneling microscopy studies. Mapping the spatially dependent electronic structure of graphene in the presence of charged impurities unveils the unique behavior of its relativistic charge carriers in response to a local Coulomb potential.
Abstract
그 상대 저에너지 전하 캐리어에 의해, 그라 각종 불순물 사이의 상호 작용은 새로운 물리학 및 전자 장치를 제어 자유도 부 리드. 특히, 충전 쿨롱 불순물 전위에 응답하여 그래 핀의 전하 캐리어의 동작은 대부분의 물질의 그것과 크게 차이가 예측된다. 스캐닝 터널링 현미경 (STM)와 주사 터널링 분광법 (STS)은 청구의 불순물의 존재에 그래 핀의 전자 구조의 공간과 에너지에 의존 모두 상세한 정보를 제공 할 수있다. 하이브리드 불순물 그라 장치의 디자인은, 백 – 게이트 된 그래 핀 표면에 불순물의 제어 된 증착을 사용하여 제조 된, 제어 가능하게 조정 그래 핀의 전기적 성질에 대한 몇 가지 신규 한 방법을 사용할 수있다. 1-8 정전기 게이팅은 그래 핀의 전하 캐리어 밀도의 제어를 가능하게 및 능력은 오델로 할BLY 조정이 전하 및 / 또는 불순물의 분자 5 상태. 이 논문은 결합 STM / STS 연구 개별 쿨롱 불순물 장식 게이트 동조 그라 장치를 제조하는 과정을 설명합니다. 2-5 이러한 연구 하이브리드 그라 장치를 설계하기위한 중요한 기초 물리학 통찰력뿐만 아니라 이정표를 제공한다.
Introduction
그래 핀은 우수한 전기 광학적 및 기계적 특성을 일으킨다 고유 선형 밴드 구조를 가진 이차원 재료이다. 1,9-16 낮은 에너지 전하 캐리어가 그 상대, 질량이없는 디락 페르미온 (15)로 설명된다 동작은 기존의 시스템에서의 비 상대 론적 전하 캐리어의 그것과 크게 상이하다. 그라 상 불순물의 다양한 15-18 제어 된 침착은 섭동의 범위 이러한 상대성 전하 캐리어의 반응의 실험 연구를위한 간단하면서도 다목적 플랫폼을 제공한다. 이러한 시스템의 조사는 그래 핀의 불순물, 화학 잠재적 인 6,7를 이동 유효 유전 상수 (8)을 변경하고, 잠재적으로 전자적으로 매개 초전도 9로 이어질 수 있음을 알 수있다. 이러한 연구의 대부분 하이브리드 impurit의 특성을 조정하는 수단으로서 채용 6-8 정전 게이팅Y-그래 핀 장치. 정전기 게이팅 히스테리시스없이 페르미 레벨에 대한 물질의 전자 구조를 이동할 수있다. 2-5 또한, 이러한 불순물의 전하 2 분자 (5)의 상태를 조정하여, 정전 게이팅 가역적 하이브리드 불순물 그래 핀의 특성을 수정할 수 장치.
돌아 가기 게이팅 그래 핀 소자 것은 주사 터널링 현미경 (STM)의 조사를위한 이상적인 시스템을 제공합니다. 주사 터널링 현미경은 전도성 표면에서 몇 옹스트롬 멀리 개최 날카로운 금속 팁으로 구성되어 있습니다. 둘 사이의 팁과 표면 사이의 전자 터널 바이어스를 적용. 가장 일반적인 모드, 정전류 모드에서, 하나의 래스터 스캐닝 앞뒤로 팁에 의해 샘플 표면의 지형을 맵핑 할 수있다. 또한, 샘플의 전자 구조는 로컬 로컬 드에 비례 미분 컨덕턴스 DI / DV 스펙트럼을 조사함으로써 조사 할 수있다미국의 nsity (LDO가). 이 측정은 종종 주사 터널링 분광법 (STS)를 불린다. 개별적으로 바이어스 및 백 게이트 전압을 제어함으로써, 불순물의 그라 응답이 DI / DV 스펙트럼의 동작을 분석하여 연구 될 수있다. 2-5
이 보고서에서, 쿨롱 불순물 장식 백 – 게이트 된 그래 핀 소자의 제조는 개략되어있다 (예를 들면, 칼슘 원자를 충전). 칼슘 adatoms 및 클러스터, 흑연, 육방 정계 질화 붕소 (h-BN), 실리콘 이산화물 (SiO2) 및 벌크 실리콘 (도 1) : 디바이스 (위에서 아래로) 다음 순서의 요소로 구성된다. H-BN은 그래 핀과 전기적으로 원자 적으로 평면 기판을 제공 균질 절연 박막이다. 19-21 H-BN 및 그런가 유전체 등이 행위 및 벌크 실리콘은 백 게이트로서 기능한다.
장치를 제작, 그래 핀 먼저 electroche에 성장화학 기상 증착 (CVD) 그래 핀 22-25위한 깨끗한 표면 촉매로서 작용 mically 연마 구리 박 22, 23,. CVD 성장, 메탄 (CH 4) 및 수소 (H 2) 전구체 가스는 구리 호일에 그래 핀의 결정 도메인을 형성하도록 열분해를 겪는다. 이러한 도메인은 결국 다결정 그라 펜 시트를 형성하는, 서로 병합 성장한다. (25)을 수득 그라가 피 처리 기판 상에 전사되고, SiO2로 상 H-BN의 기계적 박리 19-21에 의해 제조 된 H-BN / SiO2를 칩 (/ 실리콘 (100) 칩)을 통해 폴리 (메틸 메타 크릴 레이트) (PMMA) 전달. 26-28 PMMA 전송에서, 구리에 그래 핀은 제 PMMA의 층을 스핀 – 코팅된다. PMMA / 그래 핀 / 구리 샘플은 다음 에칭액에 수레 (예를 들어, 50ml을 (수성) 28) 구리 멀리 에칭. 미 반응 PMMA / 그래 핀 샘플은 이후 H-BN / SiO2를 칩과 함께 낚시질한다(예를 들어, CH 2 CL 2)에 Ar / H 2 환경 29,30은 PMMA 층을 제거하기 위해 유기 용매에서 세정. 얻어진 그라 / H-BN / SiO2로 / SI 샘플은 와이어 본딩 초고 진공 (UHV) 샘플 플레이트에 전기 접점 및 UHV 챔버에서 어닐링된다. 마지막으로, 그라 장치 쿨롱 불순물 시츄 증착된다 (예를 들면, 칼슘 원자를 충전)와 STM에 의해 연구 하였다. 2-5
Protocol
Representative Results
Discussion
STM 특성화, 그라 장치 제조의 중요한 목적은 1) 결함의 최소 수의 단층 그래 핀을 증가, 2) 큰 깨끗하고 균일하고 연속적인 그라 펜 표면을 획득하는, 3) 사이의 높은 저항을 갖는 그라 장치 조립 그래 핀과 게이트 (즉, 번호 "게이트 누설"), 4) 각각의 쿨롱 불순물을 증착하는 단계를 포함한다.
첫 번째 목표는 그래 핀은 구리 호일에 성장하는 동안 CVD 공정의 적용을…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
우리의 연구는 어떠한 계약에 따라 이사, 과학의 사무실, 에너지 SP2 프로그램의 미국학과의 기본 에너지 과학의 사무실에 의해 지원되었다. DE-AC02-05CH11231 (STM 계측 개발 및 장치 통합); 해군 연구소 (소자 특성화)의 사무실없고, NSF 상 더. CMMI-1235361 (DI / DV 영상). STM 데이터를 분석하고 WSxM 소프트웨어를 사용하여 표현 하였다. (33) DW 및 AJB는 국방 과학 및 공학 대학원 원정대 (NDSEG) 프로그램을 통해 국방부 (DoD), 32 CFR (168A)에 의해 지원되었다.
Materials
| Cu foil | Alfa Aesar | CAS # 7440-50-8 | 99.8% Cu |
| Lot # F22X029 | |||
| Stock # 13382 | |||
| Scotch Magic Tape | Scotch® | N/A | for exfoliation of hBN |
| PMMA | Micro Chem | M23004 0500L 1GL | A4 |
| FeCl3 resistant spoon | Bel-Art ScienceWare | 367300015 | PTFE coated double ended |
| chemical spoon, 15 cm length | |||
| FeCl3 (aq) | Ricca Chemical | 3127-16 | 40% w/v |
| SiO2/Si(100) Chip | NOVA Electric Materials | HS39626-OX | n/a |
| h-BN | K. Watanabe and | Contact the group | hexagonal Japanese BN (JBN) |
| T. Taniguchi Group | |||
| Au(111) | Agilent Technologies | N9805B-FG | Au(111) epitaxially grown on mica |
| Sapphire | Precision Ferrites & Ceramic, Inc. | Contact vendor | P/N Sapphire Chips |
| 0.22 X 0.125 X 0.015" | |||
| Ca source | Trace Sciences International Corp. | AS-3-Ca-5-S | n/a |
| Cu(100) | Princeton Scientific | Contact vendor | Cu(100) single crystal |
| Methane | Praxair, Inc. | ME 5.0RS-K | Graphene growth precursor gas |
| Hydrogen | Praxair, Inc. | HY 6.0RS-K | Graphene growth precursor gas |
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