המצאה של השער-מתכונן התקני גראפן לסריקה מיקרוסקופית מנהור מחקרים עם זיהומים קולון
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
בשל ספקי האנרגיה נמוכה היחסות שלו אחראי, האינטראקציה בין גרפן וזיהומים שונים מובילה לעושר של פיסיקה ודרגות חופש לשלוט מכשירים אלקטרוניים חדשות. בפרט, ההתנהגות של נושאי המטען של גרפן בתגובה לפוטנציאלים מזיהומי קולון טעונים צפויה להיות שונה באופן משמעותי מזה של רוב החומרים. מיקרוסקופ מנהור הסורק (STM) וספקטרוסקופיה מנהור הסורק (STS) יכולים לספק מידע מפורט על שני התלות במרחב ובאנרגיה של המבנה האלקטרוני של גרפן בנוכחות טומאה טעונה. העיצוב של מכשיר טומאה-גרפן היברידי, מפוברק באמצעות תצהיר מבוקר של זיהומים על משטח גרפן מגודרת בחזרה, אפשר בכמה שיטות חדשניות למאפיינים האלקטרוניים של גרפן כוונון מבוקר. 1-8 gating אלקטרוסטטית מאפשר שליטה בצפיפות נושאי המטען בגרפן ואת יכולת רברסימנגינת בליי תשלום 2 ו / או 5 מדינות מולקולריות של טומאה. מאמר זה מתאר את התהליך של בודה מכשיר גרפן שער-מתכונן מעוצב עם זיהומי קולון בודדים ללימודי STM / שילוב STS. 2-5 מחקרים אלה מספקים תובנות רבות ערך לפיזיקה הבסיסית, כמו גם שלטים לעיצוב מכשירי גרפן היברידיים.
Introduction
גרפן הוא חומר דו ממדים עם מבנה ייחודי ליניארי להקה, שמוליד תכונות חשמליות, אופטיות, מכניות יוצאות דופן שלה. 1,9-16 נושאי מטען האנרגיה הנמוכה מתוארים כפרמיונים יחסות, חסרי מסה דיראק 15, ש התנהגות שונה באופן משמעותי מזה של נושאי מטען שאינו יחסותית במערכות מסורתיות. 15-18 בתצהיר מבוקר של מגוון רחב של זיהומים על גרפן מספק פלטפורמה עדיין תכליתית פשוטה למחקרי ניסויים של התגובה של נושאי מטען יחסות אלה למגוון של הפרעות. חקירות של מערכות כאלה עולים כי זיהומי גרפן יכולים להעביר את 6,7 הפוטנציאל הכימי, לשנות את 8 קבועי דיאלקטרי היעילים, ובאופן פוטנציאלי לגרום למוליכות תיווך אלקטרוני 9. רבים ממחקרים אלה 6-8 gating אלקטרוסטטי להעסיק כאמצעי לכוונון המאפיינים של impurit ההיברידיy-גרפן מכשיר. gating אלקטרוסטטי יכול להעביר את המבנה האלקטרוני של חומר ביחס לרמת פרמי ללא hysteresis. 2-5 יתר על כן, על ידי כוונון תשלום 2 או 5 מולקולרי המדינות של זיהומים כגון, gating אלקטרוסטטי יכול הפיך לשנות את המאפיינים של טומאה-גרפן היברידי מכשיר.
חזור-gating מכשיר גרפן מספק מערכת אידיאלית לחקירה על ידי מיקרוסקופ מנהור הסורק (STM). מיקרוסקופ מנהור הסורק מורכב מקצה מתכת חד נערך כמה אנגסטרם ממשטח מוליך. על ידי יישום הטיה בין הקצה ועל פני השטח, מנהרת אלקטרונים בין שתיים. במצב הנפוץ ביותר, מצב נוכחי קבוע, ניתן למפות את הטופוגרפיה של פני השטח המדגם ידי הקצה הלוך ושוב הסריקה-סריקה. בנוסף, המבנה האלקטרוני המקומי של המדגם ניתן ללמוד על ידי בחינת ספקטרום di / DV מוליכות ההפרש, שהוא פרופורציונאלי לדה המקומיתnsity של מדינות (LDOS). מדידה זו היא לעתים קרובות מכונה ספקטרוסקופיה מנהור הסורק (STS). על ידי השליטה בנפרד מתח ההטיה וגב-שער, התגובה של גרפן לזיהומים ניתן ללמוד על ידי ניתוח ההתנהגות של ספקטרום di / DV אלה. 2-5
בדוח זה, הייצור של מכשיר גרפן מגודרת גב מעוטר בזיהומי קולון (למשל, יחויב אטומים Ca) מתואר. המכשיר מורכב מאלמנטים לפי הסדר הבא (מלמעלה למטה): adatoms סידן ואשכולות, גרפן, ניטריד בורון משושה (H-BN), דו תחמוצת צורן (SiO 2), וסיליקון בתפזורת (איור 1). H-BN הוא סרט דק בידוד, המספק מצע אטומי שטוח וחשמלי הומוגנית לגרפן. 19-21 H-BN וSiO 2 מעשה כחומרים דיאלקטריים, ותפזורת Si משמש כגב-השער.
לפברק את המכשיר, גרפן הוא גדל ראשון בelectrocheרדיד mically מלוטש Cu 22,23, אשר משמש כמשטח קטליטי נקי לשיקוע הכימי (CVD) 22-25 של גרפן. בצמיחת CVD, גזים מתאן מבשר (CH 4) ומימן (H 2) לעבור פירוליזה כדי ליצור תחומים של גבישי גרפן על רדיד Cu. תחומים אלה גדלים וסופו של דבר למזג יחד, ויצרו גיליון גרפן polycrystalline. 25 גרפן וכתוצאה מכך מועבר על גבי מצע היעד, / SiO 2 שבב H-BN (שהוכן על ידי קילוף מכאני של 19-21 H-BN על SiO 2 / Si שבב (100)), באמצעות פולי (methacrylate מתיל) (העברת PMMA). 26-28 בהעברת PMMA, גרפן על Cu הוא ראשון ספין מצופה בשכבה של PMMA. / גרפן / מדגם Cu PMMA אז צף על פתרון etchant (למשל, FeCl 3 (aq) 28), שחורטים שם Cu. מדגם PMMA / גרפן unreacted הוא דג עם H-BN / SiO 2 שבב ולאחר מכןניקה בממס אורגני (למשל, CH 2 Cl 2) וא / H 2 סביבה 29,30 כדי להסיר את שכבת PMMA. מדגם 2 / סי גרפן כתוצאה / h-BN / SiO אז למגעים חשמליים ב- גבוה ואקום אולטרה צלחת מדגם (UHV) ומרותק בחדר UHV-ערובה תיל. לבסוף, מכשיר גרפן מופקד באתרו עם זיהומי קולון (למשל, יחויב אטומים Ca) ונחקר על ידי STM. 2-5
Protocol
Representative Results
Discussion
לאפיון STM, מטרות קריטיות של ייצור מכשיר גרפן כוללות: 1) הולך וגדל גרפן monolayer עם מספר מינימאלי של פגמים, 2) קבלת גדולה, נקי, אחיד, ומשטח גרפן רציף, 3) הרכבת מכשיר גרפן עם עמידות גבוהה בין גרפן והשער (כלומר, לא "זליגת שער"), ו 4) הפקדת זיהומי קולון בודדים.
<p class="jove_content"…Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחקר שלנו נתמכה על ידי המנהל, משרד מדע, משרד אנרגיה של יסוד מדעי של המחלקה האמריקנית של תכנית SP2 אנרגיה תחת חוזה לא. DE-AC02-05CH11231 (פיתוח מכשור STM ושילוב מכשיר); משרד מחקר של צי (אפיון מכשיר), ופרס NSF לא. CMMI-1235361 (ההדמיה di / DV). נתונים STM נותחו ושניתנו באמצעות תוכנת WSxM. 33 DW וAJB נתמכו על ידי משרד הגנה (DoD) באמצעות התכנית לביטחון הלאומית למדע והנדסת בוגר המלגה (NDSEG), 32 CFR 168a.
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).
