Fabricação de porta-ajustáveis dispositivos de grafeno para tunelamento estudos de microscopia com Coulomb Impurezas
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
Devido a seus portadores de carga de baixa energia relativistas, a interação entre o grafeno e várias impurezas leva a uma riqueza de nova física e graus de liberdade para controlar dispositivos eletrônicos. Em particular, o comportamento de portadores de carga do grafene em resposta a potenciais impurezas de Coulomb carregadas está previsto que diferem significativamente do da maioria dos materiais. Microscopia de varredura de tunelamento (STM) e espectroscopia de tunelamento (STM) podem fornecer informações detalhadas sobre ambos a dependência espacial e energia de estrutura eletrônica do grafeno na presença de uma impureza cobrado. O projeto de um dispositivo de impureza-grafeno híbrido, fabricados usando deposição controlada de impurezas em uma superfície de grafeno fechado-back, permitiu que vários métodos novos para propriedades eletrônicas do grafeno ajuste controladamente. 1-8 eletrostática gating permite o controle da densidade de portadores de carga no grafeno ea capacidade de Reversisintonizar bly a taxa de 2 e / ou moleculares 5 estados de impureza. Este artigo descreve o processo de fabrico de um dispositivo de grafeno porta-tunable decorado com impurezas Coulomb individuais para MCT / STS estudos combinados. 2-5 Estes estudos fornecem informações valiosas sobre a física subjacente, bem como indicações para a concepção de dispositivos de grafeno híbridos.
Introduction
O grafeno é um material bidimensional com uma estrutura linear banda única, que dá origem a suas propriedades elétricas, ópticas e mecânicas excepcionais. 1,9-16 Seus portadores de carga de baixa energia são descritos como relativistas, sem massa férmions de Dirac 15, cujas comportamento difere significativamente da dos portadores de carga não relativísticas em sistemas tradicionais. 15-18 deposição controlada de uma variedade de impurezas para grafeno proporciona uma plataforma versátil ainda simples para estudos experimentais da resposta destes portadores de carga relativísticas a uma variedade de perturbações. Investigações de tais sistemas revelam que as impurezas de grafeno pode deslocar o potencial químico 6,7, alterar a efetiva constante dielétrica 8, e, potencialmente, levar a supercondutividade mediada eletronicamente 9. Muitos destes estudos 6-8 empregam gating electrostática como meios para sintonizar as propriedades do impurit híbridoy-grafeno dispositivo. Gating eletrostática pode mudar a estrutura eletrônica de um material em relação ao seu nível de Fermi, sem histerese. 2-5 Além disso, por meio do ajuste a carga 2 ou molecular 5 estados de tais impurezas, gating eletrostática pode reversível modificar as propriedades de um híbrido impureza-grafeno dispositivo.
Back-gating um dispositivo de grafeno fornece um sistema ideal para a investigação por microscopia de tunelamento (STM). Um microscópio de tunelamento consiste em uma ponta de metal afiada realizada há alguns angstroms longe de uma superfície condutora. Através da aplicação de uma polarização entre a ponta e a superfície, electrões de penetração entre os dois. No modo mais comum, o modo de corrente constante, pode-se mapear a topografia da superfície da amostra por a ponta para trás e para a frente-exploração de quadro. Além disso, a estrutura electrónica locais da amostra pode ser estudada por análise de um espectro diferencial condutância dI / dV, que é proporcional à de locaisnsity de estados (LDOS). Esta medição é muitas vezes chamado espectroscopia de tunelamento (STS). Ao controlar separadamente as tensões de polarização e de back-porta, a resposta de grafeno de impurezas pode ser estudado através da análise do comportamento destes espectros dI / dV 2-5.
Neste relatório, a fabricação de um dispositivo de grafeno fechado-back decorado com impurezas Coulomb (por exemplo, átomos carregados Ca) é delineada. O dispositivo consiste em elementos na seguinte ordem (de cima para baixo): adátomos cálcio e aglomerados, grafeno, nitreto de boro hexagonal (H-BN), dióxido de silício (SiO2), e grandes quantidades de silício (Figura 1). h-BN é uma fina película isolante, o que proporciona um substrato atomicamente plana e eletricamente homogêneo para o grafeno. 19-21 h-BN e SiO 2 ato como dielétricos, e volume Si serve como o back-porta.
Para fabricar o dispositivo, grafeno é primeiro crescidos em uma electrochecamente polido folha de Cu 22,23, que actua como uma superfície catalítica limpa para a deposição de vapor químico (CVD) de 22-25 grafeno. Em um crescimento CVD, metano (CH 4) e hidrogênio (H 2) de gases precursores sofrer pirólise para formar domínios de cristais de grafeno sobre a folha de Cu. Estes domínios crescer e eventualmente fundir-se em conjunto, formando uma folha de grafeno policristalino. 25 O grafeno resultante é transferido para o substrato alvo, um / SiO2 chip de h-BN (preparado por esfoliação mecânica de 19-21 h-BN para uma SiO2 / Si (100) chip), através de poli (metacrilato de metilo) (PMMA) de transferência. 26-28 na transferência de PMMA, o grafeno em Cu é primeiro spin-revestido com uma camada de PMMA. O PMMA / grafeno / amostra de Cu, em seguida, flutua sobre uma solução de produto corrosivo (por exemplo, de FeCl 3 (aq) a 28), que grava a distância Cu. A amostra PMMA / grafeno que não reagiu é pescado com um chip h-BN / SiO 2 e, posteriormente,limpos em um solvente orgânico (por exemplo, CH 2 Cl 2) e Ar / H 2 29,30 ambiente para remover a camada de PMMA. A resultante grafeno / h-BN / SiO amostra 2 / Si é, então, contatos elétricos um ultra-high-vácuo (UHV) placa de amostra e recozido em uma câmara de UHV ligado fios. Por último, o dispositivo é depositado grafeno in situ com impurezas Coulomb (por exemplo, átomos carregados Ca) e estudados por STM. 2-5
Protocol
Representative Results
Discussion
Para caracterização, STM, objectivos essenciais do dispositivo de fabricação grafeno incluem: 1) crescimento monocamada grafeno com um número mínimo de defeitos, 2) a obtenção de um grande, limpo, uniforme, e a superfície contínua grafeno, 3) montagem de um dispositivo grafeno com alta resistência entre o grafeno e a porta (isto é, sem "perda de porta"), e 4) depositar impurezas individuais Coulomb.
O primeiro objectivo é governado pelo processo CVD, durante o…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Nossa pesquisa foi apoiada pelo Diretor do Escritório de Ciência, Instituto de Ciências Básicas da Energia do Departamento de Energia dos EUA Programa SP2 sob contrato não. DE-AC02-05CH11231 (STM instrumentação desenvolvimento e integração do dispositivo); o Escritório de Pesquisa Naval (caracterização dispositivo) e NSF prêmio nenhum. CMMI-1235361 (imagem dI / dV). MCT dados foram analisados e rendeu usando o software WSxM. 33 DW e AJB foram apoiadas pelo Departamento de Defesa (DoD) através do Programa Nacional de Defesa Science & Engineering Graduate Fellowship (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 |
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