Coulomb İmpürite Tarama Tünel Mikroskobu Çalışmaları Kapısı-ayarlanabilir Grafen Cihazlarının İmalatı
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
Onun göreli düşük enerjili yük taşıyıcılarının sayesinde, grafen ve çeşitli kirlilikler arasındaki etkileşim, yeni fizik ve elektronik cihazları kontrol etmek serbestlik derecesi bir zenginlik yol açar. Özel olarak, şarj Coulomb pisliklerden potansiyellerine yanıt olarak grafenin yük taşıyıcıların davranışı çok malzeme bu önemli ölçüde farklılık tahmin edilmektedir. Taramalı tünelleme mikroskobu (TTM) ve taramalı tünelleme spektroskopisi (STS) şarjlı bir kirlilik mevcudiyetinde grafenin elektronik yapısı mekansal ve enerji bağımlılığı hem detaylı bilgi sağlayabilir. melez bir kirlilik-grafen cihazın tasarımı, arka kapılı grafen yüzeye kirliliklerin kontrollü birikimi kullanılarak imal, kontrollü ayar grafenin elektronik özellikleri için çeşitli yeni yöntemler sağladı. 1-8 Elektrostatik yolluk grafen şarj taşıyıcı yoğunluğunun kontrolünü sağlar ve yetenek reversi içinbly ayar Ücret 2 ve / veya bir safsızlığın molekül 5 belirtir. Bu yazıda kombine STM / STS çalışmalar için bireysel Coulomb kirliliklerin süslenmiş bir kapı ayarlanabilir grafen cihazı imalatı sürecini özetliyor. 2-5 Bu çalışmalar melez grafen cihazları tasarlamak için değerli altında yatan fizik içgörüler yanı sıra tabelaları sağlar.
Introduction
Grafen olağanüstü, elektriksel, optik ve mekanik özellikler ortaya çıkarmaktadır benzersiz bir doğrusal bant yapısı, bir iki-boyutlu bir malzemedir. 1,9-16 Düşük enerjili yük taşıyıcıları olan göreli, kütlesiz Dirac fermiyonlar 15 olarak tanımlanmaktadır davranış, geleneksel sistemlerde relativistik olmayan yük taşıyıcıların bu önemli ölçüde farklıdır. grafen üzerine kirliliklerin çeşitli 15-18 Kontrollü birikim tedirginlikler bir dizi bu rölativistik yük taşıyıcıların yanıt deneysel çalışmalar için basit ama çok yönlü bir platform sağlar. Bu tür sistemlerin soruşturmalar grafen kirlilikler, kimyasal potansiyel 6,7 vardiya etkili dielektrik sabiti 8 değiştirebilir ve potansiyel elektronik aracılı süperiletkenlik 9 yol açabilir ortaya koyuyor. Bu çalışmaların çoğu melez impurit özelliklerini ayarlanması için bir araç olarak 6-8 istihdam elektrostatik yolluky-grafen cihaz. Elektrostatik yolluk histerezis olmayan Fermi seviyesine göre bir materyalin elektronik yapı kayabilir. 2-5 Ayrıca, bu tür yabancı maddelerin şarj 2 veya moleküler 5 durumları ayarlanması sureti ile elektrostatik yolluk tersine çevrilebilir bir melez yabancı madde-grafin özelliklerini değiştirebilir cihazı.
Arka yolluk bir grafen cihazı taramalı tünelleme mikroskobu (STM) tarafından soruşturma için ideal bir sistem sağlar. Bir taramalı tünelleme mikroskobu iletken yüzeyden birkaç angström uzakta tutulan bir keskin metal ucu oluşur. Bu ikisi arasındaki ucu ve yüzey elektronlar tünel arasında bir sapma uygulayarak. En yaygın modunda, sabit akım modu, tek raster-taramaya ileri ve geri ucu ile numune yüzeyinin topografyası yapabilirsiniz. Buna ek olarak, numunenin yerel elektronik yapısı, yerel de orantılı bir diferansiyel iletkenlik dl / dV spektrumunu inceleyerek ele alınabilirdevletlerin nsity (yerel durum yoğunluklarındaki). Bu ölçüm genellikle taramalı tünelleme spektroskopisi (STS) olarak adlandırılır. Ayrı ayrı önyargı ve arka kapı gerilimleri kontrol ederek, kirlilikler için grafen cevabı bu dl / dV spektrumları davranışını analiz ederek ele alınabilir. 2-5
Bu raporda, Coulomb kirlilikler ile dekore edilmiş bir arka kapılı grafen cihazın imalat özetlenmiştir (örneğin, Ca atomu yüklü). Kalsiyum adatoms ve gruplarının grafen, altıgen bor nitrür (h-BN), silisyum dioksit (SiO2), ve dökme silikon (Şekil 1): cihazı (üstten alta) aşağıdaki sırayla elemanlardan oluşur. h-BN grafen için atomik düz ve elektriksel homojen substrat sağlayan bir yalıtım ince filmdir. 19-21 h-BN ve SiO dielektriklerde olarak 2 hareket ve toplu Si arka kapısı olarak hizmet vermektedir.
Cihazı imal etmek, grafen ilk bir Electroche yetiştirilenkimyasal buhar biriktirme (CVD) grafen 22-25 için temiz katalitik yüzey olarak hareket eden ışınıyla perdahlı Cu folyo 22,23. CVD büyümede, metan (CH4) ve hidrojen (H2) ön-madde gazlar Cu folyo üzerine grafin kristallerinin etki oluşturmak için piroliz geçer. Bu alanlar ve sonunda bir polikristalin grafin yaprağının oluşturulması, bir araya birleştirmek büyür. 25 elde edilen grafin, hedef alt-tabaka üzerine aktarılır, SiO2 üzerinde h-BN mekanik pul pul dökülme 19-21 hazırlanan bir h-BN / SİO2 yonga (/ Si (100) çip), poli ile (metil metakrilat) (PMMA) transferi. 26-28 PMMA transferi olarak, Cu grafin ilk PMMA bir tabaka ile Spin-kaplanmaktadır. PMMA / grafen / Cu Numune daha sonra bir dağlayıcı çözüm üzerinde yüzen (örneğin, FeCl3 (aq) 28) Cu uzak etches. girmemiş PMMA / grafen numune sonradan h-BN / SiO 2 çipi ile avlanır(örneğin, CH2C! 2) ve Ar, / H2 ortamında 29,30 PMMA tabakayı kaldırmak için bir organik çözücü içinde temizlenir. Elde edilen grafin / h-BN / SiO2 / Si Örnek daha sonra tel bağlanmış bir ultra yüksek vakum altında (UHV) numune plakası üzerine elektrik kontakları ve bir UHV odasında tavlanır. Son olarak, grafen cihazı Coulomb kirlilikler ile yerinde bırakılır (örneğin, Ca atomu yüklü) ve STM tarafından incelenmiştir. 2-5
Protocol
Representative Results
Discussion
STM karakterizasyonu için, grafen cihaz imalat kritik hedefleri şunlardır: 1) kusurların az sayıda tek tabakalı grafen büyüyen, 2) büyük, temiz, muntazam ve sürekli grafen yüzey elde, 3) arasında yüksek dirençli bir grafen cihazı montaj grafen ve kapı (yani, hayır "kapı kaçak"), ve 4) bireysel Coulomb pislikleri yatırma.
ilk gol grafen bir Cu folyo üzerinde yetişen sırasında CVD işlemi, tarafından yönetilir. Birden fazla alt-tabaka aday (ör…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Araştırmamız hiçbir sözleşme kapsamında Müdürü, Fen Dairesi, Enerji sp2 Programı US Department of Energy Temel Bilimler Dairesi tarafından desteklenmiştir. DE-AC02-05CH11231 (STM enstrümantasyon geliştirme ve cihaz entegrasyonu); Donanma Araştırma (cihaz karakterizasyonu) Ofisi, ve NSF ödül yok. CMMI-1235361 (dl / dV görüntüleme). STM veriler analiz ve WSxM yazılımı kullanılarak hale getirildi. 33 DW ve AJB Milli Savunma Bilimi ve Mühendisliği Yüksek Lisans Bursu (NDSEG) Programı aracılığıyla Savunma Bakanlığı (DoD), 32 CFR 168A tarafından desteklenmiştir.
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 |
References
- Novoselov, K. S., et al. Electric field effect in atomically thin carbon films. Science. 306 (5696), 666-669 (2004).
- Brar, V. W., et al. Gate-controlled ionization and screening of cobalt adatoms on a graphene surface. Nat. Phys. 7 (1), 43-47 (2011).
- Wang, Y., et al. Mapping Dirac quasiparticles near a single Coulomb impurity on graphene. Nat. Phys. 8 (9), 653-657 (2012).
- Wang, Y., et al. Observing atomic collapse resonances in artificial nuclei on graphene. Science. 340 (6133), 734-737 (2013).
- Riss, A., et al. Imaging and tuning molecular levels at the surface of a gated graphene device. ACS Nano. 8 (6), 5395-5401 (2014).
- Chen, J. H., Jang, C., Adam, S., Fuhrer, M. S., Williams, E. D., Ishigami, M. Charged-impurity scattering in graphene. Nat. Phys. 4 (5), 377-381 (2008).
- Pi, K., et al. Electronic doping and scattering by transition metals on graphene. Phys. Rev. B. 80 (7), 075406 (2009).
- Jang, C., et al. Tuning the effective fine structure constant in graphene: Opposing effects of dielectric screening on short- and long-range potential scattering. Phys. Rev. Lett. 101 (14), 146805 (2008).
- McChesney, J. L., et al. Extended van Hove singularity and superconducting instability in doped graphene. Phys. Rev. Lett. 104 (13), 136803 (2010).
- Geim, A. K., Novoselov, K. S. The rise of graphene. Nat. Mater. 6 (3), 183-191 (2007).
- Wang, F., et al. Gate-variable optical transitions in graphene. Science. 320 (5873), 206-209 (2008).
- Lee, C., Wei, X. D., Kysar, J. W., Hone, J. Measurement of the elastic properties and intrinsic strength of monolayer graphene. Science. 321 (5887), 385-388 (2008).
- Zhang, Y., et al. Giant phonon-induced conductance in scanning tunneling spectroscopy of gate-tunable graphene. Nat. Phys. 4 (8), 627-630 (2008).
- Zhang, Y., Tan, Y. W., Stormer, H. L., Kim, P. Experimental observation of the quantum Hall effect and Berry’s phase in graphene. Nature. 438 (7065), 201-204 (2005).
- Novoselov, K. S., et al. Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene. Nature. 438 (7065), 197-200 (2005).
- Biswas, R. R., Sachdev, S., Son, D. T. Coulomb impurity in graphene. Phys. Rev. B. 76 (20), 205122 (2007).
- Novikov, D. S. Elastic scattering theory and transport in graphene. Phys. Rev. B. 76 (24), 245435 (2007).
- Pereira, V. M., Nilsson, J., Castro Neto, A. H. Coulomb impurity problem in graphene. Phys. Rev. Lett. 99 (16), 166802 (2007).
- Dean, C. R., et al. Boron nitride substrates for high-quality graphene electronics. Nat. Nanotechnol. 5 (10), 722-726 (2010).
- Xue, J., et al. Scanning tunnelling microscopy and spectroscopy of ultra-flat graphene on hexagonal boron nitride. Nat. Mater. 10 (4), 282-285 (2011).
- Decker, R., et al. Local electronic properties of graphene on a BN substrate via scanning tunneling microscopy. Nano Lett. 11 (6), 2291-2295 (2011).
- Yan, Z., et al. Toward the synthesis of wafer-scale single-crystal graphene on copper foils. ACS Nano. 6 (10), 9110-9117 (2012).
- Zhang, B., et al. Low-temperature chemical vapor deposition growth of graphene from toluene on electropolished copper foils. ACS Nano. 6 (3), 2471-2476 (2012).
- Li, X., et al. Large-area synthesis of high-quality and uniform graphene films on copper foils. Science. 324 (5932), 1312-1314 (2009).
- Zhang, Y., Zhang, L., Zhou, C. Review of chemical vapor deposition of graphene and related applications. Acc. Chem. Res. 46 (10), 2329-2339 (2013).
- Reina, A., et al. Transferring and identification of single-and few-layer graphene on arbitrary substrates. J. Phys. Chem. C. 112 (46), 17741-17744 (2008).
- Suk, J. W., et al. Transfer of CVD-grown monolayer graphene onto arbitrary subsrates. ACS Nano. 5 (9), 6916-6924 (2011).
- Regan, W., et al. A direct transfer of layer-area graphene. Appl. Phys. Lett. 96 (11), 113102 (2010).
- Ishigami, M., Chen, J. H., Cullen, W. G., Fuhrer, M. S., Williams, E. D. Atomic structure of graphene on SiO2. Nano Lett. 7 (6), 1643-1648 (2007).
- Dan, Y., Lu, Y., Kybert, N. J., Luo, Z., Johnson, A. T. C. Intrinsic response of graphene vapor sensors. Nano Lett. 9 (4), 1472-1475 (2009).
- Chen, W., Madhavan, V., Jamneala, T., Crommie, M. F. Scanning tunneling microscopy observation of an electronic superlattice at the surface of clean gold. Phys. Rev. Lett. 80 (7), 1469-1472 (1998).
- Saito, R., Hofmann, M., Dresselhaus, G., Jorio, A., Dresselhaus, M. S. Raman spectroscopy of graphene and carbon nanotubes. Adv. Phys. 60 (3), 413-550 (2011).
- Horcas, I., Fernandez, R., Gomez-Rodriguez, J. M., Colchero, J., Gomez-Herrero, J., Baro, A. M. WSXM: A software for scanning probe microscopy and a tool for nanotechnology. Rev. Sci. Instrum. 78 (1), 013705 (2007).
