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Engineering

对于扫描隧道显微学与库仑杂质制造门可调谐石墨烯器件

Published: July 24, 2015 doi: 10.3791/52711
Automatic Translation
1,2, 1, 1, 1, 1, 1,3, 1, 1, 1, 1, 1, 4, 4, 1,5,6, 1,5,6, 1,5,6
1Department of Physics, University of California at Berkeley, 2Department of Chemistry, University of California at Berkeley, 3Department of Chemical and Biomolecular Engineering, University of California at Berkeley, 4National Institute for Materials Science (Japan), 5Materials Sciences Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, 6Kavli Energy NanoSciences Institute, University of California at Berkeley and Lawrence Berkeley National Laboratory

Abstract

由于其相对论低能量的电荷载体，石墨和各种杂质之间的相互作用导致了大量新的物理和自由度来控制电子设备的。特别是，石墨烯的电荷载体从带电库仑杂质响应于电位的行为被预测为从大多数材料的显著不同。扫描隧道显微镜（STM）和扫描隧道谱（STS）可以提供关于石墨烯的电子结构中带电荷的杂质的存在下既在空间和能源的依赖的详细信息。混合杂质石墨烯器件的设计，制造使用的杂质来控制沉积在背面门控石墨烯表面上，使若干新颖方法，用于可控地调谐石墨烯的电子特性。1-8静电门控使得在石墨烯的电荷载流子密度控制并能够黑白棋布莱调充电2和/或杂质的分子5个状态。本文概述制造装饰有个别库仑杂质为组合的STM / STS研究栅极可调石墨烯器件的方法。2-5这些研究提供了有价值的见解底层物理，以及用于设计杂交石墨烯器件的路标。

Introduction

石墨烯是一种具有独特的线性带结构，这产生了其具有卓越的电气，光学和机械性质的二维材料。1,9-16它的低能量的电荷载体被描述为相对论，无质量狄拉克费米子15，其行为从在传统系统非相对论电荷载体显著不同。的各种杂质15-18受控沉积到石墨烯提供了一种简单而通用的平台的这些相对论电荷载体的范围扰动的响应的实验研究。这种系统的调查表明，石墨烯杂质可以转移化学势6,7，改变有效介电常数8，并有可能导致电子介导的超导9。许多这样的研究6-8雇用静电门控，以调整混合impurit的特性的装置Y型石墨烯器件。静电门控可相对于它的费米能级没有滞后2-5此外移位的材料的电子结构，通过调整这些杂质的电荷2或分子5个州，静电门控可以可逆地修改混合杂质石墨烯的特性装置。

背门控石墨烯器件提供了用于调查通过扫描隧道显微镜（STM）的理想系统。扫描隧道显微镜是由从导电表面的几埃客场举行了锋利的金属尖的。通过将两者之间的尖端与表面时，电子隧道之间的偏差。在最常见的方式，恒定电流方式，人们可以通过光栅扫描的前端来回映射样品表面的形貌。此外，样品的局部电子结构可通过检查一个微分电导的dI /的dV谱，它正比于局部去加以研究状态nsity器（LDO）。该测量通常被称为扫描隧道谱（STS）。通过单独控制偏置和背栅极电压，石墨烯的杂质的反应可以通过分析这些的dI / DV光谱的行为进行了研究。2-5

在这份报告中，饰以库仑杂质的背门控石墨烯器件的制造（ 如钙带电原子）概述。该装置由按以下顺序（从顶部到底部）的元素：钙吸附原子和集群，石墨烯，六方氮化硼（的h-BN），二氧化硅（SiO 2）的，与体硅（ 图1）。的h-BN是一种绝缘薄膜，它提供了一个原子级平坦，并电同质衬底用于将石墨烯19-21的h-BN和SiO 2充当电介质，和体Si用作背栅。

为了制造该装置，石墨烯，首先生长在一个electrochemically抛光Cu箔22,23，它作为一个干净的催化表面的化学气相沉积（CVD）石墨22-25。 CVD生长，甲烷（CH 4）和氢（H 2）的前驱物气体发生热解，从而在Cu箔石墨晶体的结构域。将得到的石墨烯转印到目标衬底这些域成长，最终合并在一起，形成一个多晶石墨烯片25中 ，一个的h-BN / SiO 2的芯片（制备的h-BN的机械剥离19-21上的SiO 2 /硅（100）芯片）， 通过聚（甲基丙烯酸甲酯）（PMMA）的传输。26-28在聚甲基丙烯酸甲酯转移，在Cu的石墨烯是第一旋涂上一层聚甲基丙烯酸甲酯。聚甲基丙烯酸甲酯/石墨烯/铜样品，然后在一个蚀刻剂溶液漂浮（ 例如， 氯化铁（AQ）28），该蚀刻掉铜。未反应的聚甲基丙烯酸甲酯/石墨烯样品捕捞用的h-BN / SiO 2的芯片，并随后在一种有机溶剂清洗（ 例如，CH 2 Cl 2中），和Ar / H 2环境29,30去除的PMMA层。所得石墨烯/的h-BN /的SiO 2 / Si的样品是则引线键合到上的超高真空（UHV）样品板的电接触并退火在超高真空腔室中。最后，该石墨烯器件淀积就地与库仑杂质（ 例如，带电荷的钙原子），并研究由STM 2-5

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Protocol

的Cu箔22,23 1.电化学抛光

注意：电化学抛光暴露出裸铜表面的石墨烯生长除去保护表面涂层，并控制生长种子密度。

  1. 通过混合100毫升超纯水，加入50ml乙醇，加入50ml磷酸，将10毫升异丙醇和1g尿素制备的电化学抛光溶液。
  2. 切铜箔成多个3厘米3厘米箔。注意：每个箔用作阳极或阴极。
  3. 通过垂直剪裁的Cu箔上保持器和将其连接到电源的相应的终端设置了阳极/阴极。
    注：阳极（正极）将电化学抛光的石墨烯生长。
  4. 抛光开始之前，设定为4.8伏在电源恒定电压。
  5. 一旦接通电源作为阳极和阴极同时浸入electrochemiCAL抛光液。由约2厘米分开的电极。检查得到的电流是1-2 A之间
  6. 通过关闭电源2分钟后停止电化学抛光。取出阳极，并立即用超纯水，丙酮和异丙醇分别冲洗。
  7. 吹干漂洗铜箔与N 2气体，并将其存放在干燥的容器中。

石墨烯的2化学气相沉积（CVD）在Cu箔22-25

  1. 将石英管CVD炉和管连接到与KF配件气行的其余部分。
  2. 将电化学抛光的铜箔上的石英舟顶部。使用长棒，推石英舟放入石英管，直到Cu箔被放置在CVD炉的中心。封闭系统KF配件。
  3. 抽空与低真空泵系统。清扫该系统用H 2。
  4. 斜坡最高温度10506下以200 SCCM的H 2。退火在1050℃下进行2小时，以同一气流。
    注：温度是通过测量内置K型热电偶在管式炉。
  5. 降温至1030℃，使用相同的气体流量。生长石墨烯10分钟并以40sccm的CH 4和10sccm的H 2。
  6. 只要增长已经过去，开辟炉罩下来侵权迅速冷却。保持相同的气流。
  7. 一旦温度低于100℃时，关闭气流。
  8. 关掉泵。由气体管线和N 2气缸之间缓慢打开计量阀放空系统用N 2气。
  9. 取出样品。切Cu箔与所需尺寸件。
  10. 样品存放在干燥器内干燥的容器。

H-BN 3.机械剥离19-21一上SiO 2的芯片

  1. 清洁的SiO 2芯片。注：在S供氧浓度芯片由一个大致285纳米厚的SiO 2层上的体Si的顶部。
    1. 通过使用金刚石划线1厘米芯片切割的SiO 2晶片切割成约1厘米。
    2. 冲洗的SiO 2芯片与水和异丙醇。保持SiO 2的表面覆盖着每次冲洗后的水/异丙醇。
    3. 放置在旋涂机中的SiO 2芯片以从其表面除去液体。旋芯片3000转，15秒。
    4. 检查芯片的清洁利用光学显微镜的暗视野下的设置。注：在暗场设置，固体杂质出现明亮的颗粒。
  2. 放置一个干净的SiO 2芯片，剥离胶带，并在干净的表的h-BN的晶体用光学显微镜。
  3. 准备两个条带：父带和第二带。其两侧粘在桌子上都放置了。将一个H-BN液晶父带粘贴面。
  4. 请将S第二带过在父磁带上的h-BN晶体的ticky侧（使得第二和父带粘侧面是接触）。擦在晶体轻轻去除气泡。
  5. 剥开第二个磁带掉去角质的H-BN液晶到第二个磁带。存储父磁带以供将来使用。
  6. 折叠第二个磁带本身上，轻轻揉搓过的晶体，并剥离胶带。重复此过程10次，折叠第二带，使得的h-BN的晶体转移到每次第二带的一个全新的区域。
  7. 放置在显微镜下一个干净的SiO 2芯片。粘含有的h-BN晶体第二带的区域上的SiO 2芯片。确保磁带也坚持显微镜支架为在即将到来的剥离步骤确保芯片。
  8. 慢慢剥下胶带，在显微镜下监测该过程。由于磁带几乎剥落，使用镊子举行的SiO 2
  9. 一旦将胶带剥离，放置的CVD炉内的芯片。退火在空气中的芯片，在500℃进行2小时。

4.聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）26-28石墨烯转移到对H-BN / SiO 2的

  1. 把一滴PMMA（A4）对石墨烯/铜/石墨烯薄片。旋涂用3000转在30秒箔。注意：作为的FeCl 3（水溶液）蚀刻掉在即将到来的蚀刻步骤中的Cu层，背面石墨烯会脱落而PMMA /石墨烯层将保持未反应（ 图2）。
  2. 使用的FeCl 3耐勺，让在下列顺序的溶液旋涂Cu箔浮动：1.5分钟上的FeCl 3（水溶液），5分钟的超纯水，上的FeCl 3（水溶液），5 1分钟分上超纯水，上的FeCl 3（水溶液），5分钟的超纯水，5分钟的超纯水：15分钟r和对超纯水30分钟。制备各超纯水浴在一个单独的烧杯中。
  3. 鱼与H-BN / SiO 2的芯片的PMMA /石墨烯样品。将其放置在热板上在80℃下进行10分钟，以去除水并在180℃下进行15分钟至27放松的PMMA膜。
  4. 将聚甲基丙烯酸甲酯/石墨烯/的h-BN / SiO 2的芯片在CH 2 Cl 2 O / N以溶解的PMMA层。

5.氩气/ H 2退火29,30

  1. 放置在石英管上的CVD炉和管连接到与KF接头的气体管线的其余部分。
  2. 将石墨烯/ BN / SiO 2的芯片上的石英舟。使用长棒，推石英舟放入石英管，直到该芯片被放置在CVD炉的中心。封闭系统KF配件。
  3. 抽空与低真空泵系统。清扫该系统用H 2和Ar。
  4. 建立压力为1个大气压，100 SC厘米的H 2和200sccm的氩有计量阀。一旦压力达到1个大气压，调节计量阀的开口大小，以稳定的压力在1个大气压。
  5. 斜坡上升的温度为350℃，退火5小时用相同的气流。
  6. 冷却至RT用相同的气流。
  7. 一旦温度低于100℃时，关闭气流。关闭所有阀门。
  8. 关掉泵。由气体管线和N 2气缸之间缓慢打开计量阀放空系统用N 2气。
  9. 取出样品。检查的石墨烯层，用拉曼光谱32缺陷等级的数目。检查光学显微镜下的清洁/均匀性。该光学显微镜的原子力显微镜（AFM）下出现清洁扫描多个区域，以确保样本出现清洁/均匀以小的长度尺度（<500纳米）为好。
  10. 它存储在内部的干燥容器干燥器。

6.组装门可调石墨烯器件的STM测量2-5

  1. 蒸发一个50微米×50微米的Au / Ti的接触垫到的Ar / H 2 -annealed CVD石墨烯/的h-BN / SiO 2的样品。
    1. 样品用胶带到上一个显微顶部上的阶段。
    2. 同时用光学显微镜监测，对准石墨使用显微使得对Au / Ti接触将感兴趣的区域附近沉积，而不覆盖所述表面上的模板掩模。
    3. 与模板掩模的样品转移到电子束蒸发器。蒸发的Ti为10nm以3埃/秒。掩盖Ti层通过不破坏真空中同一蒸发会话蒸发的Au 30-50纳米的3埃/秒。注：另外，铬为1纳米是一个很好的替代钛的10纳米。
    4. 与模板掩模样品传输回显微去除阶段。
    2. <LI>安装样品到一个超高真空（UHV）样板。
    1. 将薄薄的一片蓝宝石在特高压样板。注意：蓝宝石作为防止所述Si和STM地面之间的电接触的绝缘层。此外，蓝宝石是样品退火的目的的优异的热导体。
    2. 放置在蓝宝石顶部的样品。放置另一个薄片蓝宝石在样品上。确保该蓝宝石不覆盖石墨表​​面。
    3. 用金属夹固定蓝宝石/样品/蓝宝石结构。确保整个结构是刚性的，否则它会震动一STM内。
  2. 引线键合的特高压样板终端到合适的石墨烯设备上的联系人。注意：淀积的Au / Ti的电极引线接合到接地而生成的硅本体是引线键合到所述栅电极（ 图1）。
    1. 放置在接地引线接合阶段上的样品。
    2. 识别使用光学显微镜在Au / Ti的触点的位置。
    3. 打开的线键合机。如果线键合机是气动，打开N 2气。将线键合机进行两次债券。
    4. 使用引线接合臂，放置引线接合器的前端上的特高压样品板的适当端子的顶部。下移，轻轻按下引线键合机的前端到终端，直至线焊机表示该键完成。
    5. 螺纹导线到对Au / Ti接触石墨烯器件。下移，轻轻按下引线键合机的前端到对Au / Ti接触，直到线焊机表明粘结完成。
    6. 用金刚石划线刮开一些的SiO 2在SiO 2芯片的边缘，以暴露将被用作背栅极的硅。重复两接合工艺对已曝光的硅。
    7. 样本内插入一个特高压（10 -10托）准备室和退火引线键合摹raphene设备在约300℃。该设备转移到STM室。
      注：直到其表面STM下出现清洁石墨烯设备应进行退火处理（见二段议定书8）。退火时间将根据该装置的初始清洁度而变化。

7. STM针尖对校准金（111）表面31

  1. 退火/溅射的Au（111）上的加热器阶段样品在超高真空腔室清洁/平坦化的Au表面。退火5分钟，在375℃，溅射5分钟，用Ar +束加速到500 V转移的Au（111）样品的STM扫描的阶段。
  2. 接近的Au（111）的表面与一个STM针尖。申请10伏脉冲的STM针尖直到由Au（111）的人字形重建是清晰可见。
  3. 通过调节尖端的形状和微分电导的dI /的dV谱比较标准的Au（111） 的dI / DV频谱校准小费。31
  4. 通过40纳米帧扫描金（111）面与40纳米，以确定一个清洁/平坦区域。如果表面具有台阶边缘的高密度，移动到用于扫描一个新的领域。
  5. STM针尖0.4轻轻崩溃到1.0纳米到在Au（111）表面的一个清洁区;这个控制崩溃被称为一个“戳。”关掉反馈并点击“取光谱”按钮经由锁定采取的dI / DV光谱上的交流调制电压的电流响应（6毫伏和613.7赫兹）加入到尖端偏压。
    注意：一旦交流调制电压（6毫伏和613.7赫兹）设置在前端，将所得隧道电流进入锁定放大器，其中隔离同频的当前的分量和返回的dI / DV信号。通过记录这种信号作为样本偏压从-1.0扫到1.0V， 的dI / DV频谱被产生。因为这个光谱方案是家庭写，指令采取能谱将不同的程序之间变化。
  6. 检查对一个标准的Au（111） 的dI /的dV谱（ 图4）所获得的的dI /的dV曲线。确保在Au（111）的表面状态存在于的dI /的dV曲线和该光谱不存在的任何异常的特征。如果测得的dI /的dV曲线是不能接受的，重复在步骤7.3.2捅直到的dI /的dV曲线看起来像图4中所示的那个。
  7. 一旦笔尖形状和DI / DV频谱进行了优化，等待15至30分钟;如果STM针尖是不稳定的，二/ DV频谱将这个时间间隔内发生变化。夺回的 dl / DV光谱在不同的位置，以确认STM针尖是否稳定与否。
  8. 重复捅在步骤7.3.2 如果 DI / DV曲线发生了变化。开始扫描石墨烯如果 DI / DV曲线不变。

8.扫描石墨烯

  1. TRansfer石墨烯器件到的STM扫描的阶段。
  2. 使用一个长途光学显微镜看STM针尖和石墨烯器件。后横向对准尖端和利益的h-BN片状，接近石墨烯。
  3. 启动扫描2纳米2纳米的区域。慢慢由5纳米，10纳米15纳米，20纳米20纳米， 等放大扫描窗口至5nm，10纳米，15纳米。如果一个大的杂质（> 100时在高度）遇到，撤回的前端并移动到不同的区域。
  4. 取的dI / DV光谱，并比较在石墨烯/的h-BN衬底的标准的dI /的dV谱（见参考文献21）。如果频谱是没有可比性的，在重新校准的Au（111）表面的尖端（见秒议定书7）。
  5. 扫描多个领域获得的频率大的杂质（> 100时在高度）遇到感。根据这些统计数据，推断样品的清洁度。

在石墨烯面传热9.存入库仑杂质Ë2-4

  1. 获取钙源。校准Ca原子的蒸发用的残留气体分析仪（RGA）和石英晶体微天平（QCM）在特高压试验室中。注：RGA评估的钙沉积的纯度，同时QCM衡量一个钙沉积速率。
    1. 运行电流通过钙源。
    2. 增加电流直到10 -10乇的RGA质谱中检测到的Ca分压。需要注意的一个事实，即Ca和Ar具有相同的质量，因此，是无法区分的RGA。
    3. 测量钙沉积速度（层/秒）与QCM。
      1. 输入的密度（ 例如，1.55克/厘米3为钙离子）的存款的转换频移值在沉积速率。
      2. 沉积速率监控为QCM读取/ s的沉积速率;将此转换层/秒通过假设一个单层的厚度等于离子直径（ 例如，0.228埃为钙离子）的存款。
    4. 确定最佳的电流通过调节电流，直到沉积速率监视器显示一个所需的沉积速率（ 例如，3.33×10 -5层/秒）。
  2. 给出的沉积速率（ 例如，3.33×10 -5层/秒），在步骤9.1.3，计算的时间（秒）用于沉积所需量（ 例如，0.01单层）的Ca.在STM，沉积的Ca在Cu（100）表面就地与来自步骤9.1.3最佳电流设置。检查CA覆盖后沉积和清洁铜（100）表面STM（见步骤8.5）;直到STM在铜（100）表面状态出现如预期重新调整当前设置。
    注意：沉积参数进行了优化的Cu（100）的第一，以尽量减少污染控制不良沉积的石墨烯器件的风险。
  3. 原位沉积在石墨烯器件转移到STM为4 K.
  4. 存款收取钙原子上的石墨烯表面。
    1. 在石墨烯上的钙沉积，outgass的钙源。直到在步骤9.2所需的电流达到缓慢增加的源上的电流0.25 A每次5-10分钟。关闭快门的石墨烯和Ca源之间，以防止脱气污染物到达石墨烯。
    2. 让蒸发通量打开快门之前稳定20分钟。
    3. 打开快门和存款理想（ 例如，0.01单层）适量钙离子到石墨烯表面。确保该石墨烯器件具有线的视线与钙源。确保STM针尖是脱节的视线的钙源，以防止钙原子粘到STM针尖的。
  5. 检查CA覆盖率和沉积后的石墨烯表面STM清洁度（见步骤8.5）。请参阅参考。 2，3和4的库仑杂质对石墨烯的研究的进一步协议。

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Representative Results

图1示出了背门控石墨烯器件的示意图。导线接合对Au / Ti接触到一个超高真空样品板为由石墨电，而引线接合的Si散装于连接到一个外部电路背栅的装置中的电极。通过背门控装置，由库仑杂质的在给定的样品偏压的电荷状态（这是由STM针尖控制）可以被调谐到不同的电荷状态。2-4

图2概述的步骤用于制造栅极可调石墨烯器件。铜箔第一电化学抛光，除去其表面的保护涂层和修改其成长的种子密度。23,24电化学抛光后，铜箔应该出现在肉眼下更亮泽比以前因为其表面应该更加通畅。电化学抛光Cu箔然后充当催化基材石墨烯的CVD生长。石墨烯是那么transferr编辑通过上转移PMMA的H-BN / SiO 2的基板。所得样品清洗在Ar / H 2气氛和特征（ 图3）。随后，它被组装到后门控装置。

前的样品被组装到后门控装置，所述石墨烯表面的特征用光学显微镜（ 图3A），拉曼光谱（ 图3B），和原子力显微镜（ 图3C）。用光学显微镜图像，很容易检查清洁度，连续性，以及石墨烯层在整个样本的数目。用拉曼光谱中，石墨烯层和缺陷等级的数目可以通过检查I G来评价：我2D峰强度比和D峰的强度，分别为32随着AFM图像中，各种特征-清洁度，均匀性，表面粗糙度， 等等 。 - 样品可以可靠的evaluated在小尺度（<500纳米）。一个好的样本应该出现的清洁，连续，均匀，无论光学显微镜和原子力显微镜下的图像单层。此外，良好的样品应当表现出最小ð峰强度（最小缺陷的标志）和小于1：2的比例的I G：我2D下的拉曼光谱峰强度比（单层的标志）32。

前的设备可以在一个STM来表征，一个STM针尖必须上的Au进行校准（111）表面，以分离从样品的表面状态STM针尖的状态尽可能。没有尖校准，微分电导的dI / DV频谱会出现卷积由于针尖状态和样品的表面状态之间的强耦合：换句话说，从一个未校准尖端采取STM数据可能并不代表该样品的不动产。为了校准提示，STM针尖重复脉冲/捅成金（111）面传热f，直到人字形重建（ 图4A）的一个高分辨率图像可以得到和的dI / DV光谱中出现可比的标准的Au（111） 的dI /的dV谱（ 图4B）。 迪/ DV频谱应表现出在V 样品 ≈-0.5 V，它代表金（111）表面状态的开始急剧一步。此外， 迪/ DV频谱应表现出异常无峰和谷，对石墨烯进行的dI / DV测量时可能出现的文物。

尖端校准后，将样品的表面进行检查的STM。 图5A示出了莫尔图案用于石墨烯/的h-BN，其来自在石墨烯和h-BN的晶格常数的不匹配。生成的莫尔图案的波长取决于旋转的石墨烯和底层的h-BN晶格之间的角度：小的扭曲角，更大的波长。莫尔patte外观氡证实清洁石墨烯的h-BN基片上的存在。一旦样品表面进行检查，Ca离子沉积到石墨烯，其形貌示于图5B。莫尔图案出现在图像的背景。一旦收取钙原子被成功存入，STM针尖可以构建人工晶核由多个带电钙二聚体推每个二聚体成小群。 STM研究结果被控Co和钙吸附原子显示在参考。 2，3和参考文献。 4。

图1
图1.原理图门可调石墨烯器件。石墨烯是接地样品板，而硅层通过引线键合连接到栅电极的 2-5 请点击此处查看该图的放大版本。

ntent“> 图2
。门可调谐石墨烯器件制造的图2流程的原理图制作栅可调石墨烯器件的步骤包括：1）化学气相沉积的石墨烯生长上电化学抛光Cu箔，2） - 5）聚甲基丙烯酸甲酯的石墨烯转移到H- BN / SiO 2的芯片，6）的Ar / H 2退火中，对Au / Ti接触7）蒸发，8）安装到一个特高压的样品板，以及9）引线接合。 请点击此处查看该图的放大版本。 。

图3
图3：石墨烯/ H-BN / SiO 2的异质的预STM表征。 （A）石墨烯/ H-BN / SiO 2的异质。（B）的光学显微镜图像拉曼SPECT朗姆酒石墨烯/ SiO 2区的。石墨烯的拉曼光谱的特征在于用D（〜1350厘米-1），G（〜1580厘米-1），和石墨烯的2D（〜2690厘米-1）的峰。32（C）的原子力显微镜（AFM）图像/ H-BN / SiO 2区。这个形象是一个高度图与轻敲模式原子力显微镜拍摄。 请点击此处查看该图的放大版本。

图4
金金的图4，STM表征（111）表面的STM针尖校准。31（A）地形（111）面。（B）标准DI /金（Au） 的dV谱（111）面。 请点击此处查看大图版本这个数字。

<P类=“j​​ove_content”> 图5
对石墨烯库仑杂质图5 STM地形。 （一）云纹图案石墨烯/ H-BN。20,21（B）钙对石墨烯吸附原子。4 ，请点击此处查看该图的放大版本。

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Discussion

对于STM表征，所述石墨烯器件制造的关键目标包括：1）生长单层石墨烯的缺陷最少数量，2）获取一个大的，干净的，均匀的和连续的石墨烯表面上，3）装配用之间的高电阻的石墨烯器件石墨烯和栅极（ 即，没有“栅极泄漏”），以及4）单独库仑杂质沉积。

第一个目标是通过CVD工艺，在此期间，石墨烯生长在Cu箔的管辖。虽然有多个基板的候选（ 例如，镍，钌，铱，铂，钴，钯等 ），铜是公知的生产单层石墨烯最选择性由于其极低的碳的溶解度。25然而，选择性地生长单层石墨烯仍可能是困难和矛盾，由于各种各样的因素。虽然22-25电化学抛光肯定为克更好基板条件raphene增长，我们的AFM表征表明，铜表面保持不均匀和粗糙的微观水平。此外，污染的化学残留物的水平可能有所不同陪衬烘托。退火参数是生长过程中不断提供一个干净，均匀的表面铜必不可少的。退火的Cu在高温下（1050℃）附近的熔点（1085℃）用氢气（〜200sccm的）的高流量似乎提供了始终如一清洁且均匀的铜表面具有大的Cu域22的生长温度，压力制度，和CH 4：H 2流量比随后可以系统地优化，直到获得单层石墨烯的缺陷数尽可能少。

第二个目标-获得一个宽敞，干净，均匀，连续的石墨烯表面-由PMMA转移和Ar / H 2退火管辖。虽然有许多不同的石墨烯移植的sfer方法（ 例如，干的PMMA / PDMS转移27，湿的PDMS转移24 等 ），聚甲基丙烯酸甲酯转印带的FeCl 3（水溶液）的蚀刻剂溶液28不断取得最连续/一致的石墨烯的表面上。然而，这种方法留下化学残余物在石墨烯表面上的高密度。要解决此问题，将旋涂速率和时间首先优化，使聚甲基丙烯酸甲酯层尽可能均匀。此外，引入多个清洁步骤，超纯水浴场捞它与H-BN / SiO 2的芯片之前，石墨烯的背面去除化学残留。从这些努力，比较干净的样品，观察用光学显微镜，已转移一致。在PMMA转移方法没有变化，但是，可以彻底清理表面石墨烯，因为它总是会留下一层薄薄的有机玻璃。为了获得原子级清洁表面（STM研究需要清洁的区域及＃62; 100纳米2），必须进行一系列退火过程。氩气/ H 2退火能有效去除大部分的PMMA层。经过氩/ H 2退火，29石墨烯表面出现在受环境AFM（ 图3）检查是干净的。然而，薄的PMMA层检不出的环境的AFM仍覆盖在石墨烯表面上，这需要在原位 UHV退火进一步去除。重要的是要记住，转让后退火只能清理只有相对无残留物的表面是很重要的;样本的最终清洁度主要取决于传输。

第三个目标-组装石墨烯器件没有任何栅极漏电-由后的​​Ar / H 2退火工序约束。当安装在样品板的装置中，是非常关键的，从样品板与蓝宝石薄片的其余部分电断开设备; t的唯一的电接触他样品平板和设备应该是引线键合。引线接合引入打破设备，如果剩余电力供给（不管多么小）可能导致栅极漏电流如在SiO 2层的任何形式的骨折的风险。引线接合参数因此，必须优化的时间提前。因为栅极泄漏可能不仅在该装置，而且在整个STM室发生，大量的时间和资源可能被浪费，以识别和修复泄漏源。它在组装石墨烯器件，以尽量减少栅极泄漏的危险是很重要的。

第四个目标 - 个人库仑杂质沉积 - 由之前的沉积校准步骤管辖。当务之急是优化在特高压试验室中的沉积参数（以及另外在Cu（100）表面的原位 ），用于以受控沉积。需要沉积的纯度必须仔细与RGA因为随机IMPU评估rities不仅会歪斜由QCM测得的沉积速率，但也会导致不希望的掺杂。如果该装置是由一个未知杂质不可逆地掺杂，所述石墨烯的反应库仑杂质可能被不期望地改变。

除了这些挑战，一个STM研究可以在几个方面受到限制。在一个微分电导测量，就不可能从样品状态完全分离的尖端的电子态。即使有良好的校准尖，它可以是具有挑战性的，以确定的分光特性的起源。此外，获得了从在超高真空（10 -10乇）和T = 4进行的测量信息K可能不相关，以较少的理想条件下操作设备。

话虽这么说，STM比其他技术的许多优点。它不仅具有高能量分辨率（数兆电子伏），而且高空间分辨率（约10点）。为了比较，ARPES具有相对较低的空间R-esolution（亚微米），但可比较的能量分辨率（几毫电子伏特）。 STM也可以用来操纵设备上的单个原子的位置，以产生新的充电配置。例如，杨等人创建的充电钙二聚体人工核与STM针尖背门控石墨烯设备和表征原子崩溃状态，在石墨烯表面。4凭借这些优势，在心目中，STM是最强大的一个和可靠的技术表征石墨烯的各种扰动在良好控制的环境中的空间依赖响应。

的沉积有库仑杂质栅极调谐石墨烯器件的STM研究，可不仅用于测试的基本理论，但也为理解混合石墨烯器件的应用价值。他们可以通过实验验证有关的无质量的狄拉克费米子的新系统，表现出不同的显著的BEHA基本行为预测vior相比传统的系统运营商收取15-18此外，这些研究可以揭示一些石墨烯的最意想不到的特点4，这导致了在相对 ​​论制度电荷载体更深入的了解。新的洞察管理系统，石墨烯将是混合石墨烯器件性能的精密调整非常有利的物理规律。2-5

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Acknowledgments

我们的研究是由处长，科学办，能源SP2计划美国能源部基础能源科学办公室根据合同不支持。 DE-AC02-05CH11231（STM仪器仪表的开发和设备集成）;海军研究办公室（器件特性），以及美国国家科学基金会奖没有。 CMMI-1235361（DI / DV摄像）。 STM数据进行了分析，并使用WSxM软件渲染。33 DW和AJB是由美国国防部（DOD）通过国防科学与工程研究生奖学金（NDSEG）程序，32 CFR 168A支持。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Cu foil Alfa Aesar CAS # 7440-50-8
Lot # F22X029
Stock # 13382		 99.8% Cu
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 T. Taniguchi Group Contact the group hexagonal Japanese BN (JBN)
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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References

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工程，第101，物理，石墨烯，静电门控，扫描隧道显微镜（STM），库仑杂质，化学气相沉积（CVD），聚（甲基丙烯酸甲酯）（PMMA）的转移，引线接合
对于扫描隧道显微学与库仑杂质制造门可调谐石墨烯器件
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Jung, H. S., Tsai, H. Z., Wong, D.,… More

Jung, H. S., Tsai, H. Z., Wong, D., Germany, C., Kahn, S., Kim, Y., Aikawa, A. S., Desai, D. K., Rodgers, G. F., Bradley, A. J., Velasco Jr., J., Watanabe, K., Taniguchi, T., Wang, F., Zettl, A., Crommie, M. F. Fabrication of Gate-tunable Graphene Devices for Scanning Tunneling Microscopy Studies with Coulomb Impurities. J. Vis. Exp. (101), e52711, doi:10.3791/52711 (2015).

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