Изготовление ворот-перестраиваемых графена устройств для сканирующей туннельной микроскопии исследований с кулоновских примесей
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
Благодаря своим релятивистских носителей заряда с низким уровнем энергии, взаимодействие между графена и различных примесей приводит к богатству новой физики и степеней свободы для управления электронными устройствами. В частности, поведение носителей заряда графена в ответ на потенциалов от заряженных примесей кулоновских, по прогнозам, значительно отличаются от большинства материалов. Сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) и сканирующей туннельной спектроскопии (СТС) может предоставить подробную информацию как о пространственной и энергетической зависимости электронной структуры графена в присутствии заряженной примеси. Дизайн гибридного примесей-графен устройства, изготовленных с использованием контролируемого осаждения примесей на задней закрытого поверхности графена, позволило несколько новых методов для электронных свойств контролируемого Тюнинг графена. 1-8 Электростатический стробирования позволяет контролировать плотность носителей заряда в графене и способность REVERSIБлай настроить заряд 2 и / или молекулярные 5 состояний примеси. Эта статья описывает процесс изготовления ворот с перестраиваемой графена устройства украшен отдельных примесей кулоновских для комбинированных СТМ / СТС исследования. 2-5 Эти исследования дают ценные идеи в основную физики, а также указания для проектирования гибридных графеновых устройств.
Introduction
Графен представляет собой двумерную материал с уникальной линейной зонной структуры, что приводит к его исключительных электрических, оптических и механических свойств. 1,9-16 Его носители заряда с низким потреблением энергии описываются как релятивистских, безмассовых фермионов Дирака 15, чьи поведение существенно отличается от нерелятивистской носителей заряда в традиционных системах. 15-18 Контролируемые осаждение различных примесей на графене обеспечивает простой, но универсальную платформу для экспериментальных исследований реакции этих релятивистских носителей заряда в диапазоне возмущений. Исследования таких систем показывает, что графен примеси могут переложить химический потенциал 6,7, изменять эффективную диэлектрическую постоянную 8, и, возможно, приведет к электронным опосредованной сверхпроводимости 9. Многие из этих исследований 6-8 Наймите электростатического стробирования в качестве средства для настройки свойств гибридного impuritу-графен устройство. Электростатический стробирования может сдвинуть электронную структуру материала по отношению к уровню Ферми без гистерезиса. 2-5 Кроме того, путем настройки заряда 2 или молекулярный 5 состояния таких примесей, электростатической стробирования может обратимо изменять свойства гибридной примесей-графена Устройство.
Back-гейт графена устройство обеспечивает идеальную систему для расследования сканирующей туннельной микроскопии (СТМ). Сканирующий туннельный микроскоп состоит из острым металлическим наконечником, состоявшейся несколько ангстрем от проводящей поверхности. Применяя уклон между зондом и поверхностью, электроны туннеля между ними. В наиболее общем режиме, режиме постоянного тока, можно сопоставить топографию поверхности образца Растровое сканирование наконечник вперед и назад. Кроме того, местные электронная структура образца может быть изучен путем исследования дифференциальной проводимости DI / DV спектра, которая пропорциональна локальной деnsity государств (ЛПС). Это измерение часто называют сканирующей туннельной спектроскопии (STS). По отдельности контроля смещения и обратно затвором напряжения, ответ графена примесей могут быть изучены с помощью анализа поведения этих спектров DI / DV. 2-5
В этом докладе, изготовление задней закрытого графена устройства, украшенной кулоновских примесей (например, заряженные атомы Ca) изложена. Устройство состоит из элементов в следующем порядке (сверху вниз): адатомов кальция и кластеров, графена, гексагонального нитрида бора (ч-BN), диоксид кремния (SiO 2), и объемного кремния (рис 1). ч-BN является изолирующая тонкая пленка, которая обеспечивает атомно плоский и электрически однородной подложки для графена. 19-21 ч-BN и SiO 2 акт в качестве диэлектрика и основная Si служит задней ворот.
Для изготовления устройства, графен впервые вырос на electrocheрифмически полированной меди фольги 22,23, который действует в качестве чистого каталитической поверхности для химического осаждения из паровой фазы (CVD) 22-25 графена. В роста сердечно-сосудистых заболеваний, метан (СН 4) и водород (Н 2) газы-предшественники подвергаются пиролизу с образованием доменов графеновыми кристаллов на фольге Cu. Эти домены растут и в конце концов сливаются, образуя поликристаллического листа графена. 25 результате графен переносится на целевой подложке, / SiO 2 ч чип-BN (полученного с помощью механического пилинга 19-21 ч-BN на SiO 2 с / Si (100) чип), с помощью поли (метилметакрилат) (ПММА) передачи. 26-28 В передаче ПММА, графен на Cu сначала спин-покрыта слоем ПММА. ПММА / графен / образец Cu то плавает на решение травильного (например, FeCl 3 (ая) 28), который разъедает прочь Cu. Непрореагировавший образец ПММА / графен ловили с чипом ч-BN / SiO 2 и впоследствииочистке в органическом растворителе (например, CH 2 Cl 2) и Ar / Н 2 среда 29,30, чтобы удалить слой ПММА. Полученную графен / ч-BN / SiO 2 / Si Затем образец проволоки соединены с электрическими контактами на сверхвысоком вакууме-(СВВ) образца плиты и отжигают в камере сверхвысокого вакуума. Наконец, графен устройство на хранение в месте с кулоновских примесей (например, заряженные атомы Ca) и изучены СТМ. 2-5
Protocol
Representative Results
Discussion
Для СТМ характеристики, критические цели изготовления графена устройства включают в себя: 1) растет монослоя графена с минимальным количеством дефектов, 2) получение большой, чистый, однородный, и непрерывную поверхность графена, 3) монтаж графена устройство с высоким сопротивлением ме?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Наше исследование было поддержано директором Управления науки, Управление основной энергии наук департамента США программы sp2 энергии в соответствии с контрактом нет. DE-AC02-05CH11231 (разработка приборов СТМ и интеграция устройства); не Управление военно-морских исследований (характеристика устройства), и NSF награду нет. CMMI-1235361 (DI / DV томография). Данные СТМ были проанализированы и визуализируется с помощью WSxM программного обеспечения. 33 DW и AJB были поддержаны министерством обороны (DoD) через Национальный научный и инженерно обороны Высшее общество (NDSEG) Программы, 32 CFR 168а.
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).
