クーロン不純物を走査トンネル顕微鏡研究のためのゲート - 調整可能なグラフェンデバイスの作製
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
その相対低エネルギーの電荷キャリアにより、グラフェンおよび種々の不純物との間の相互作用は、新しい物理学及び電子デバイスを制御するための自由度を豊富につながります。具体的には、帯電したクーロン不純物から電位に応じて、グラフェンの電荷キャリアの挙動は、ほとんどの材料のものとは大きく異なることが予想されます。走査型トンネル顕微鏡（STM）、走査型トンネル分光法（STS）は、荷電した不純物の存在下で、グラフェンの電子構造の空間的及びエネルギー依存性の両方に関する詳細な情報を提供することができます。ハイブリッド不純物グラフェンデバイスの設計は、バックゲート型のグラフェン表面上に不純物の制御された堆積を用いて製造、制御可能にチューニンググラフェンの電子特性のために、いくつかの新規な方法を可能にした。1-8静電ゲーティングは、グラフェン中の電荷キャリア密度を制御することができますオセロすると能力BLY曲チャージ2および/ または不純物の分子5の状態。本稿では、結合STM / STSの研究のための個々のクーロン不純物で飾らゲート可変グラフェン素子の製造プロセスの概要を説明します。2-5これらの研究は、ハイブリッドグラフェンデバイスを設計するための貴重な基礎となる物理学への洞察だけでなく、道標を提供しています。
Introduction
グラフェンはその例外的、電気的、光学的、および機械的特性をもたらす独特の線形バンド構造を有する二次元材料である。1,9-16、その低エネルギーの電荷キャリアは、その相対、質量のないディラックフェルミオン15として記載されています動作は、従来のシステムでは、非相対論的電荷キャリアのそれとは大きく異なります。グラフェンへの不純物の様々な15-18制御された堆積は、摂動の範囲にこれらの相対論的電荷キャリアの応答の実験的研究のためのシンプルで汎用性の高いプラットフォームを提供します。このようなシステムの研究はグラフェン不純物は、化学ポテンシャル6,7をシフト実効誘電率8を変化させて、潜在的に電子的に媒介される超伝導9につながることができますことを明らかにしました。これらの研究6-8の多くはハイブリッドimpuritの特性を調整するための手段として、静電ゲーティングを採用しますY-グラフェンのデバイス。静電ゲートは、ヒステリシスのない、そのフェルミ準位に対して、材料の電子構造をシフトすることができます。2-5。また、このような不純物の電荷2または分子5の状態を調整することにより、静電ゲーティングは可逆的にハイブリッド不純物グラフェンのプロパティを変更することができますデバイス。
バックゲートグラフェンデバイスは、走査型トンネル顕微鏡（STM）の調査のための理想的なシステムを提供します。走査型トンネル顕微鏡は、導電性表面から数オングストローム離れて開催された鋭利な金属チップで構成されています。両者の先端面と、電子のトンネルとの間にバイアスを印加することにより。最も一般的なモードでは、定電流モードでは、1はラスタスキャン前後に先端をすることによって、試料表面のトポグラフィーをマッピングすることができます。また、試料の局所電子構造は、ローカルデに比例する微分コンダクタンスのdI / DVスペクトルを調べることによって研究することができます状態のnsity（LDOS）。この測定は、多くの場合、走査トンネル分光法（STS）と呼ばれます。別々のバイアス及びバックゲート電圧を制御することにより、不純物のグラフェンの応答は、これらのdI / DVスペクトルの挙動を分析することにより研究することができる。2-5
このレポートでは、クーロン不純物で飾らバックゲート型のグラフェン素子の製造は、概説されている（ 例えば、カルシウム原子を有料）。カルシウムおよびクラスタ吸着原子、グラフェン、六方晶窒化ホウ素（h-BN）、二酸化ケイ素（SiO 2）、及びバルクシリコン（ 図1）：デバイスは、（上から下へ）、次の順序での要素から構成されています。 H-BNは、グラフェンのための原子レベルで平坦と電気的に均質な基板を提供する絶縁性薄膜である。19-21 H-BNおよびSiO 2誘電体として作用し、バルクSiは、バックゲートとして機能します。
デバイスを製造するために、グラフェンは、まずelectroche上に成長させます化学蒸着（CVD）グラフェンの22-25清浄な触媒表面として働くmically研磨Cu箔22,23。 CVD成長は、メタン（CH 4）と水素（H 2）前駆体ガスは、Cu箔上にグ ラフェン結晶のドメインを形成するために熱分解を受けます。これらのドメインは、成長し、最終的には多結晶グラフェンシートを形成し、一緒にマージしてください。25、得られたグラフェンをターゲット基板上に転写され、SiO 2上でのh-BNの機械的剥離19-21により調製したh-BN / SiO 2のチップ（/ Siの（100）チップ）、ポリビア （メチルメタクリレート）（PMMA）の転送。26-28 PMMA転送では、銅上のグラフェンは、第一のPMMAの層でスピンコートします。 PMMA /グラフェン/銅試料は、その後、銅をエッチング除去するエッチング液（ 例えば、FeCl 3を （AQ）28）、に浮かびます。未反応のPMMA /グラフェンサンプルは、h-BN / SiO 2のチップで釣られ、その後され、PMMA層を除去するために、有機溶媒（ 例えば、CH 2 Cl 2）とアルゴン/ H 2環境29,30で洗浄しました。得られたグラフェン/ H-BN /のSiO 2 / Siのサンプルは、その後、ワイヤボンディング、超高真空（UHV）サンプルプレート上の電気接点およびUHVチャンバ内でアニールされます。最後に、グラフェンデバイスは、クーロンの不純物（ 例えば、カルシウム原子を帯電した）と、その場で堆積し、STMによって研究されている。2-5
Protocol
Representative Results
Discussion
STMの特徴付けのために、グラフェンデバイス製造の重要な目標は、1）欠陥の最小数と単層グラフェンを成長させる、2）大規模な、きれいな、均一な、かつ連続グラフェン表面を得る、3）との間に高抵抗のグラフェンデバイスの組み立てグラフェンとゲート（ すなわち、「ゲートリーク」）、4）個々のクーロン不純物を堆積します。
最初の目標は、グラフェン?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
我々の研究は、契約なしの下ディレクター、科学局、エネルギーSP2プログラムの米国務省のエネルギー基本科学のオフィスによってサポートされていました。 DE-AC02-05CH11231（STM計測の開発とデバイスの統合）。海軍研究（デバイス特性）、およびNSF賞のオフィスがありません。 CMMI-1235361（DI / DV撮影）。 STMデータを分析し、WSxMソフトウェアを使用してレンダリングされた。33 DWとAJBは国防科学技術大学院フェローシップ（NDSEG）プログラムを介して、国防総省（DoD）、32 CFR 168Aによってサポートされていました。
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 |
Referências
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