يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية

مقالة منهجية

تلفيق بوابة الانضباطي الجرافين أجهزة لمسح حفر نفق المجهر الدراسات مع كولوم الشوائب

15K مشاهدات

⸱

DOI:

10.3791/52711

⸱

يوليو 24, 2015

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

في هذه المقالة

ملخص

توضح هذه الورقة بالتفصيل عملية تصنيع جهاز الجرافين القابل للضبط بالبوابة ، والمزين بشوائب كولوم لمسح دراسات الفحص المجهري الأنفاقي. يكشف رسم خرائط الهيكل الإلكتروني المعتمد مكانيا للجرافين في وجود شوائب مشحونة عن السلوك الفريد لناقلات الشحنة النسبية استجابة لإمكانات كولوم المحلية.

الملخص

بسبب النسبية حامله تهمة منخفضة الطاقة، والتفاعل بين الجرافين والشوائب المختلفة يؤدي إلى ثروة من الفيزياء ودرجات الحرية للسيطرة على الأجهزة الإلكترونية الجديدة. على وجه الخصوص، وتوقع سلوك حاملات الشحنة الجرافين ردا على إمكانات من الشوائب كولوم اتهم تختلف كثيرا عن أن معظم المواد. المجهر النفقي الماسح (STM) والتحليل الطيفي المسح النفقي (STS) يمكن أن توفر معلومات تفصيلية عن كل من الاعتماد المكاني والطاقة في هيكل الجرافين الإلكترونية في وجود النجاسة المشحونة. تصميم جهاز النجاسة الجرافين الهجين، ملفقة باستخدام ترسب رقابة من الشوائب على سطح الجرافين بوابات الظهر، وقد مكن العديد من الطرق المبتكرة للعقارات ضبط controllably الجرافين الإلكترونية. 1-8 كهرباء النابضة يمكن السيطرة على كثافة الناقل مسؤولا في الجرافين والقدرة على ريفيرسيضبط بلاي التهمة 2 و / أو الجزيئية 5 دول من الشوائب. وتحدد هذه الورقة عملية تصنيع جهاز الجرافين بوابة الانضباطي مزينة الشوائب كولوم الفردية جنبا إلى جنب STM / STS الدراسات. وتقدم 2-5 هذه الدراسات معلومات قيمة حول الفيزياء الأساسية، فضلا عن معالم لتصميم الأجهزة الجرافين الهجينة.

المقدمة

الجرافين هو مادة ثنائي الأبعاد مع هيكل الفرقة خطية فريدة من نوعها، مما يثير خصائصه الكهربائية والضوئية والميكانيكية استثنائية. 1،9-16 تم وصفها لها حاملات الشحنة منخفضة الطاقة كما النسبية، عديمة الكتلة الفرميونات ديراك 15، الذي يختلف السلوك بشكل كبير عن تلك التي حاملات الشحنة غير النسبية في النظم التقليدية. 15-18 ترسب التحكم لمجموعة متنوعة من الشوائب على الجرافين يوفر منصة بسيطة ولكنها تنوعا للدراسات التجريبية للاستجابة لهذه حاملات الشحنة النسبية لمجموعة من الاضطرابات. التحقيقات في مثل هذه الأنظمة تكشف عن أن الشوائب الجرافين يمكن أن يحول المحتملين 6،7 الكيميائية، تغيير فعال ثابت العزل الكهربائي 8، وربما يؤدي إلى الموصلية الفائقة بوساطة إلكترونيا 9. العديد من هذه الدراسات 6-8 توظيف النابضة الكهربائي كوسيلة لضبط خصائص impurit الهجينذ الجرافين الجهاز. النابضة كهرباء يمكن أن تحول هيكل الالكترونية من مادة فيما يتعلق مستوى فيرمي من دون التباطؤ 2-5 وعلاوة على ذلك، من خلال ضبط هذه التهمة 2 أو الجزيئي 5 دول من تلك الشوائب، ويمكن النابضة كهرباء تعديل عكسية خصائص الهجين نجاسة الجرافين الجهاز.

العودة النابضة جهاز الجرافين يوفر نظاما مثاليا للتحقيق من قبل المجهر النفقي الماسح (STM). يتكون المجهر النفقي الماسح من طرف معدنية حادة عقدت بضع انغستروم بعيدا عن سطح موصل. من خلال تطبيق التحيز بين طرف والسطح، والإلكترونات نفق بين البلدين. في الوضع الأكثر شيوعا، ووضع الحالي مستمر، ويمكن للمرء أن خريطة تضاريس سطح العينة من طرف ذهابا وإيابا مسح النقطية. بالإضافة إلى ذلك، فإن هيكل الالكترونية المحلية من العينة يمكن دراستها من خلال دراسة فارق تصرف دي / DV الطيف، الذي يتناسب مع دي المحليnsity الدول (LDOS). وغالبا ما يطلق على هذا القياس الطيفي المسح النفقي (STS). من خلال التحكم بشكل منفصل التحيز والعودة البوابة الفولتية، واستجابة من الجرافين لشوائب يمكن دراستها من خلال تحليل سلوك هذه DI / DV الأطياف. 2-5

في هذا التقرير، وتصنيع جهاز الجرافين بوابات الظهر مزينة الشوائب كولوم (على سبيل المثال، اتهم ذرات الكالسيوم) تم تفصيلها. ويتكون الجهاز من العناصر بالترتيب التالي (من الأعلى إلى الأسفل): adatoms الكالسيوم والتجمعات، الجرافين، سداسية نيتريد البورون (ح-BN)، وثاني أكسيد السيليكون (شافي 2)، والسيليكون بالجملة (الشكل 1). غير ح-BN فيلم رقيقة عازلة، والتي توفر الركيزة مسطحة بالذرة ومتجانسة كهربائيا لالجرافين. يخدم 19-21 ح-BN وشافي 2 بمثابة العوازل، والجزء الأكبر سي كما ظهر البوابة.

لافتعال الجهاز، يزرع الجرافين أولا على electrocheمصقول mically النحاس احباط 22،23، الذي يعمل بمثابة المحفز سطح نظيف لترسيب الأبخرة الكيميائية (الأمراض القلبية الوعائية) 22-25 من الجرافين. في نمو الأمراض القلبية الوعائية، والميثان (CH 4) والهيدروجين (H 2) الغازات السلائف تخضع الانحلال الحراري لتشكيل المجالات من بلورات الجرافين على رقائق النحاس. هذه المجالات تنمو وتندمج معا في نهاية المطاف، وتشكيل ورقة الكريستالات الجرافين. 25 يتم نقل الجرافين الناتجة على الركيزة الهدف، وهو ح-BN / شافي 2 رقاقة (عن طريق تقشير الميكانيكية 19-21 من ح-BN أعدت على أحد شافي 2 / سي (100) رقاقة)، ​​عبر بولي (ميتاكريليت الميثيل) (PMMA) نقل 26-28 في نقل PMMA، الجرافين على النحاس هو المغلفة تدور الأول بطبقة من PMMA. ثم يتحرك هذا / الجرافين / النحاس عينة PMMA على حل منمش (على سبيل المثال، FeCl 3 (عبد القدير) 28)، الذي يحفر بعيدا النحاس. تم صيدها العينة PMMA / الجرافين غير المتفاعل مع رقاقة ح-BN / شافي 2 و في وقت لاحقتنظيف في المذيبات العضوية (على سبيل المثال، CH 2 الكلورين 2) وهارون / H 2 بيئة 29،30 لإزالة طبقة PMMA. نتج عن ذلك من الجرافين / ح-BN / شافي 2 / سي العينة ثم إلى الاتصالات الكهربائية على فراغ عالية جدا (الفائق) عينة لوحة وصلب في غرفة الفائق المستعبدين الأسلاك. أخيرا، وتودع الجهاز الجرافين في الموقع مع الشوائب كولوم (على سبيل المثال، اتهم ذرات الكالسيوم) ودراستها من قبل STM 2-5

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

1. الكهروكيميائية تلميع لاحباط 22،23 النحاس

ملاحظة: الكهروكيميائية تلميع يفضح العارية سطح النحاس للنمو الجرافين عن طريق إزالة طلاء السطح واقية ويتحكم في كثافة البذور النمو.

  1. يعد حل تلميع الكهروكيميائية عن طريق خلط 100 مل من الماء نقي للغاية، 50 مل ايثانول، 50 مل حمض الفوسفوريك، 10 مل الأيزوبروبانول، و 1 غرام اليوريا.
  2. قطع النحاس احباط الى عدة 3 سم في 3 سم الرقائق. ملاحظة: يخدم كل احباط إما أنود أو الكاثود.
  3. إعداد الأنود / الكاثود بواسطة قطة احباط النحاس عموديا مع حامل وتوصيله إلى محطة مناسبة لإمدادات الطاقة.
    ملاحظة: إن القطب الموجب (الموجب) أن يكون مصقول electrochemically للنمو الجرافين.
  4. قبل أن يبدأ تلميع، تعيين الجهد المستمر من 4.8 V في امدادات الطاقة.
  5. بدوره على امدادات الطاقة في أقرب وقت الأنود والكاثود وانخفض في وقت واحد في electrochemiكال حل تلميع. فصل الأقطاب بحوالي 2 سم. تحقق من أن التيار الناتج هو بين 1-2 A.
  6. وقف تلميع الكهروكيميائية بعد 2 دقيقة عن طريق إيقاف إمدادات الطاقة. إخراج الأنود وشطف فورا بشكل منفصل مع الماء نقي للغاية، والأسيتون، والأيزوبروبانول.
  7. ضربة الجافة ورقائق النحاس تشطف N 2 الغاز وتخزينه في وعاء الجافة.

2. ترسيب الأبخرة الكيميائية (الأمراض القلبية الوعائية) من الجرافين على النحاس احباط 22-25

  1. وضع أنبوب الكوارتز في فرن الأمراض القلبية الوعائية وتوصيل أنبوب لبقية خط الغاز مع التجهيزات KF.
  2. وضع النحاس احباط مصقول electrochemically على رأس قارب الكوارتز. باستخدام قضيب طويل، ودفع القارب الكوارتز في أنبوب الكوارتز حتى يتم وضع رقائق النحاس في وسط الفرن الأمراض القلبية الوعائية. أرفق النظام مع التجهيزات KF.
  3. ضخ أسفل النظام مع مضخة التخشين. تطهير النظام مع H 2.
  4. تكثيف درجة الحرارة إلى 10506؛ C مع 200 SCCM من H 2. يصلب في 1050 درجة مئوية مع نفس تدفق الغاز لمدة 2 ساعة.
    ملاحظة: يتم قياس درجة الحرارة عن طريق المدمج في نوع K الحرارية في فرن أنبوب.
  5. يبرد إلى 1030 درجة مئوية مع نفس تدفق الغاز. تنمو الجرافين لمدة 10 دقيقة مع 40 SCCM CH 4 و 10 SCCM H 2.
  6. بمجرد أن النمو قد انتهى، وفتح غطاء الفرن ليبرد بسرعة إلى أسفل المسؤولية التقصيرية. الحفاظ على نفس تدفق الغاز.
  7. مرة واحدة في درجة حرارة أقل من 100 درجة مئوية، وإيقاف تدفق الغاز.
  8. إيقاف المضخة. تنفيس النظام مع N 2 الغاز من خلال فتح ببطء صمام القياس بين خط الغاز واسطوانة غاز N 2.
  9. إخراج العينة. قطع احباط النحاس إلى قطع ذات أبعاد المطلوبة.
  10. تخزين العينة في وعاء جاف داخل مجفف.

3. الميكانيكية تقشير 19-21 من ح-BN على 2 رقاقة شافي

  1. تنظيف وشافي 2 رقاقة. ملاحظة: Sيتكون IO 2 رقاقة من نانومتر طبقة سميكة تقريبا 285 شافي 2 على رأس معظم سي.
    1. قطع رقاقة شافي 2 إلى حوالي 1 سم في 1 سم الرقائق باستخدام الكاتب الماس.
    2. شطف رقاقة شافي 2 مع المياه والأيزوبروبانول. الحفاظ على سطح شافي 2 مغطى بالمياه / الأيسوبروبانول بعد كل شطف.
    3. وضع رقاقة شافي 2 على المغطي تدور لإزالة السائل من سطحه. تدور رقاقة مع 3000 دورة في الدقيقة لمدة 15 ثانية.
    4. تحقق من نظافة الشريحة تحت المجهر الضوئي مع تحديد حقل مظلم. ملاحظة: في ظل وضع حقل مظلم، تظهر الشوائب الصلبة الجسيمات كما مشرق.
  2. مكان نظيف شافي 2 رقاقة، الشريط تقشير، وح-BN الكريستال على طاولة نظيفة مع المجهر الضوئي.
  3. إعداد قطعتين من الشريط: شريط الأم والشريط الثاني. وضع حد سواء على طاولة المفاوضات مع الجانبين لزجة فوق. وضع الكريستال ح-BN على الجانب زجة من الشريط الأصل.
  4. وضع الصورةالجانب ticky من الشريط الثاني على الكريستال ح-BN على الشريط الأم (بحيث الجانبين لزجة من الاشرطة الثانية والأم هي مؤثرة). فرك على مدى وضوح الشمس بلطف لإزالة فقاعات الهواء المحتبسة.
  5. قشر الشريط الثاني من لقشر الكريستال ح-BN على الشريط الثاني. تخزين الشريط الأم لاستخدامها في المستقبل.
  6. أضعاف الشريط الثاني على نفسها، وفرك بلطف على وضوح الشمس، وانزع الشريط. تكرار هذه العملية 10 مرات، للطي الشريط الثاني بحيث يتم نقل بلورات ح-BN إلى منطقة جديدة جديدة من الشريط الثاني في كل مرة.
  7. مكان نظيف شافي 2 رقاقة تحت المجهر. عصا منطقة الشريط الثاني الذي يحتوي على الكريستال ح-BN على رقاقة شافي 2. تأكد من أن الشريط العصي أيضا إلى موقف المجهر لتأمين الشريحة أثناء الخطوة تقشير القادمة.
  8. قشر ببطء قبالة الشريط، ومراقبة العملية تحت المجهر. كما هو مقشر الشريط تقريبا قبالة، استخدام الملقط لعقد شافي 2 رقاقة في المكان. ملاحظة: سوف تقشير سريع جدا يؤدي في أقل رقائق ح-BN على رقاقة.
  9. بمجرد مقشر قبالة الشريط، وضع رقاقة داخل الفرن الأمراض القلبية الوعائية. يصلب رقاقة في الهواء عند درجة حرارة 500 درجة مئوية لمدة 2 ساعة.

4. بولي (ميتاكريليت الميثيل) (PMMA) 26-28 نقل الجرافين على ح-BN / شافي 2

  1. وضع قطرة واحدة من PMMA (A4) على الجرافين / نحاس / الجرافين احباط. تدور معطف احباط مع 3000 دورة في الدقيقة و 30 ثانية. ملاحظة: كما FeCl 3 (عبد القدير) يحفر بعيدا طبقة النحاس خلال خطوة الحفر القادمة، فإن الجرافين المؤخر تسقط في حين أن الطبقة / الجرافين PMMA ستبقى غير المتفاعل (الشكل 2).
  2. باستخدام FeCl 3 ملعقة مقاومة، والسماح للاحباط النحاس المصقول المطلي تدور على الحلول التالية في هذا النظام: 1.5 دقيقة على FeCl 3 (عبد القدير)، 5 دقائق على مياه نقي للغاية، 1 دقيقة على FeCl 3 (عبد القدير)، 5 دقيقة على نقي جدا المياه، و 15 دقيقة على FeCl 3 (عبد القدير)، 5 دقائق على نقي جدا الماء، 5 دقائق على توفير المياه نقي للغايةص، و 30 دقيقة في الماء نقي للغاية. إعداد كل حمام ماء نقي للغاية في كوب منفصل.
  3. الصيد العينة / الجرافين PMMA مع ح-BN / شافي 2 رقاقة. وضعه على طبق ساخن على 80 درجة مئوية لمدة 10 دقيقة لإزالة المياه وعلى حرارة 180 درجة مئوية لمدة 15 دقيقة للاسترخاء 27 PMMA الفيلم.
  4. وضع PMMA / الجرافين / ح-BN / شافي 2 رقاقة في CH 2 الكلورين 2 O / N بحل طبقة PMMA.

5. هارون / H 2 التليين 29،30

  1. وضع أنبوب الكوارتز في الفرن الأمراض القلبية الوعائية وتوصيل أنبوب لبقية خط الغاز مع التجهيزات KF.
  2. وضع الجرافين / BN / شافي 2 رقاقة على متن قارب الكوارتز. باستخدام قضيب طويل، ودفع القارب الكوارتز في أنبوب الكوارتز حتى يتم وضع رقاقة في وسط الفرن الأمراض القلبية الوعائية. أرفق النظام مع التجهيزات KF.
  3. ضخ أسفل النظام مع مضخة التخشين. تطهير النظام مع H 2 وهارون.
  4. بناء على ضغوط ل1 أجهزة الصراف الآلي مع 100 SCسم H 2 و 200 SCCM هارون مع صمام القياس. عندما يصل الضغط 1 أجهزة الصراف الآلي، وضبط حجم فتحة صمام القياس لتحقيق الاستقرار في الضغط على 1 أجهزة الصراف الآلي.
  5. تكثيف درجة الحرارة إلى 350 درجة مئوية، ويصلب لمدة 5 ساعة مع نفس تدفق الغاز.
  6. يبرد إلى RT بنفس تدفق الغاز.
  7. مرة واحدة في درجة حرارة أقل من 100 درجة مئوية، وإيقاف تدفق الغاز. إغلاق كافة الصمامات.
  8. إيقاف المضخة. تنفيس النظام مع N 2 الغاز من خلال فتح ببطء صمام القياس بين خط الغاز واسطوانة غاز N 2.
  9. إخراج العينة. التحقق من عدد من الطبقات الجرافين ومستوى الخلل مع رامان الطيفي 32. تحقق في نظافة / التوحيد تحت المجهر الضوئي. مجالات متعددة المسح الضوئي التي تظهر نظيفة تحت المجهر الضوئي مع مجهر القوة الذرية (AFM) لضمان أن العينة تظهر نظيفة / موحدة في طول نطاق صغير (<500 نانومتر) كذلك.
  10. تخزينه في وعاء جاف داخلمجفف.

6. تجميع الجرافين الأجهزة بوابة الانضباطي للSTM قياس 5/2

  1. تتبخر 50 ميكرون 50 ميكرون الاتحاد الافريقي / تي وحة الاتصال على ع / H 2 -annealed الأمراض القلبية الوعائية الجرافين / ح-BN / شافي 2 العينة.
    1. الشريط العينة على مرحلة على رأس micromanipulator.
    2. في حين رصد مع المجهر الضوئي، محاذاة قناع الاستنسل مع الجرافين باستخدام micromanipulator بحيث سيتم إيداع اتصال الاتحاد الافريقي / تي بالقرب من منطقة الفائدة بدون تغطية السطح.
    3. نقل العينة مع قناع الاستنسل إلى المبخر شعاع ه. تتبخر 10 نانومتر من تي في 3 Å / ثانية. التستر على طبقة تي عن طريق تبخير 30-50 نانومتر من الاتحاد الافريقي في 3 Å / ثانية في الدورة تبخر نفسها دون كسر فراغ. ملاحظة: بدلا من ذلك، 1 نانومتر من الكروم هو بديل جيد للنانومتر 10 من تي.
    4. نقل العينة مع قناع الاستنسل إلى micromanipulator لإزالة هذه المرحلة.
    2. <لى> جبل العينة على أحد فائقة فراغ (الفائق) عينة لوحة.
    1. ضع قطعة رقيقة من الياقوت على عينة وحة الفائق. ملاحظة: إن أعمال الياقوت بوصفها الطبقة العازلة التي تمنع الاتصال الكهربائي بين سي وSTM الأرض. وعلاوة على ذلك، الياقوت هو موصل حراري ممتاز لغرض عينة الصلب.
    2. ضع العينة على رأس الياقوت. ضع قطعة رقيقة أخرى من الياقوت على العينة. تأكد من أن الياقوت لا يغطي سطح الجرافين.
    3. تأمين بنية الياقوت / عينة / الياقوت مع المشبك المعدني. تأكد من أن هيكل كامل هو جامد وإلا فإنه سوف يهتز داخل STM.
  2. سلك السندات الفائق محطات لوحة عينة ليتملك الاتصالات على الجهاز الجرافين. ملاحظة: تودع أقطاب الاتحاد الافريقي / تي هي على أرض الواقع في حين أن الجزء الأكبر سي هو بوابة القطب المستعبدين بإرسال (الشكل 1) المستعبدين الأسلاك.
    1. وضع العينة التي شنت على مرحلة أسلاك الربط على الارض.
    2. تحديد المواقع للاتصالات الاتحاد الافريقي / تي باستخدام المجهر الضوئي.
    3. بدوره على-بوندر سلك. إذا كان سلك بوندر غير هوائي، تشغيل N 2 الغاز. تعيين سلك بوندر لجعل اثنين من السندات.
    4. باستخدام ذراع أسلاك الربط، ضع غيض من بوندر سلك على الجزء العلوي من المحطة المناسبة على عينة وحة الفائق. تحرك لأسفل واضغط بلطف غيض من بوندر سلك على محطة حتى يشير إلى سلك بوندر أن الترابط الانتهاء.
    5. كاتب الموضوع سلك إلى الاسم الاتحاد الافريقي / تي على الجهاز الجرافين. تحرك لأسفل واضغط بلطف غيض من بوندر سلك على اتصال الاتحاد الافريقي / تي حتى يشير إلى سلك بوندر أن الترابط الانتهاء.
    6. استخدام الكاتب الماس الى نقطة الصفر من بعض شافي 2 على حافة رقاقة شافي 2 لفضح سي التي سيتم استخدامها بمثابة البوابة الخلفية. كرر العملية يومين الترابط لسي المكشوفة.
    7. إدراج عينة داخل الفائق (10 -10 عربة) غرفة الإعدادية ويصلب ز المستعبدين الأسلاكجهاز raphene في حوالي 300 ° C. نقل الجهاز إلى غرفة STM.
      ملاحظة: يجب أن يكون صلب الجهاز الجرافين حتى يظهر سطحه نظيفا تحت STM (انظر البند 8 من البروتوكول). الوقت الصلب سوف تختلف تبعا لنظافة الأولية للجهاز.

7. STM تلميح معايرة على الاتحاد الافريقي (111) السطح 31

  1. يصلب / تفل والاتحاد الافريقي (111) عينة على المسرح سخان في غرفة الفائق لتنظيف / تتسطح السطح الاتحاد الافريقي. يصلب لمدة 5 دقائق في 375 ° C، وتفل لمدة 5 دقائق مع هارون + شعاع تسارع إلى 500 V. نقل الاتحاد الافريقي (111) عينة لمرحلة المسح STM.
  2. الاقتراب من سطح الاتحاد الافريقي (111) مع طرف STM. تطبيق 10 V البقول على طرف STM حتى لإعادة الإعمار متعرجة الاتحاد الافريقي (111) غير واضحة للعيان.
  3. معايرة غيض من خلال تعديل شكل نصيحة ومقارنة والفرق تصرف دي / DV الطيف إلى الاتحاد الافريقي قياسي (111) دي / DV الطيف. 31
    1. تفحص الاتحاد الافريقي (111) السطح مع 40 نانومتر بنسبة 40 نانومتر إطار لتحديد / مساحة الشقة نظيفة. إذا كان السطح لديها كثافة عالية من خطوة الحواف، والانتقال إلى منطقة جديدة للمسح الضوئي.
    2. تحطم بلطف غيض STM 0،4-1،0 نانومتر إلى منطقة نظيفة من الاتحاد الافريقي (111) السطح؛ ويشار إلى هذا تحطمها الخاضعة للرقابة لكزر "كزة." إيقاف ردود الفعل وانقر على زر "خذ الطيفي" لاتخاذ مجموعة دي / DV عبر القفل في على الاستجابة الحالية لتيار منظم الجهد (6 بالسيارات و613.7 هرتز) وأضاف أن التحيز طرف.
      ملاحظة: بمجرد ميلان التضمين الجهد (6 بالسيارات و613.7 هرتز) وتقدم على الحافة، وحفر الأنفاق مما أدى الحالي يذهب الى مكبر للصوت قفل في، الذي يعزل مكون من الحالي مع نفس التردد وإرجاع إشارة DI / DV. من خلال تسجيل هذه الإشارة كما هو اجتاحت التحيز عينة من -1.0 إلى 1.0 V، يتم إنشاء دي / DV الطيف. لأن هذا البرنامج هو التحليل الطيفي مكتوبة بخط المنزل، وتعليمات لاتخاذفإن التحليل الطيفي تختلف بين مختلف البرامج.
    3. تحقق منحنى دي / DV الحصول ضد الاتحاد الافريقي قياسي (111) دي / DV الطيف (الشكل 4). تأكد من الاتحاد الافريقي (111) دولة سطح موجودة في / منحنى العنف المنزلي دي وأن الطيف غائب من أي ميزة الشاذة. إذا كان منحنى دي / DV المقاس أمر غير مقبول، كرر كزة في الخطوة 7.3.2 حتى منحنى دي / DV يبدو وكأنه واحد هو مبين في الشكل (4).
    4. مرة واحدة شكل نصيحة ودي / DV الطيف هي الأمثل، الانتظار 15 إلى 30 دقيقة. إذا غيض STM غير مستقر، ودي / DV الطيف تتغير خلال هذه الفترة الزمنية. استعادة طائفة دي / DV في مكان مختلف لتأكيد ما إذا كان الطرف STM مستقرة أم لا.
    5. تكرار كزة في الخطوة 7.3.2 إذا تم تغيير منحنى دي / DV. الشروع في مسح الجرافين إذا منحنى دي / DV لم يتغير.

8. الضوئي الجرافين

  1. TRansfer الجهاز الجرافين إلى مرحلة المسح STM.
  2. استخدام المجهر الضوئي لمسافات طويلة لرؤية طرف STM وجهاز الجرافين. مواءمة بعد أفقيا طرف وح-BN تقشر المصالح، الاقتراب من الجرافين.
  3. بدء المسح الضوئي ل2 نانومتر بنسبة 2 منطقة نانومتر. تكبير ببطء نافذة المسح الضوئي إلى 5 نانومتر بنسبة 5 نانومتر و 10 نانومتر، بنسبة 10 نانومتر و 15 نانومتر 15 نانومتر و 20 نانومتر 20 نانومتر، الخ. إذا واجهت الشوائب كبيرة (> 100 م في الطول)، سحب طرف والانتقال إلى منطقة أخرى.
  4. إلقاء طيف دي / DV وقارن بين معيار الطيف دي / DV على الجرافين / ح-BN الركيزة (انظر المرجع 21). إذا الطيف غير قابل للمقارنة، إعادة ضبط طرف على سطح الاتحاد الافريقي (111) (انظر البند 7 من البروتوكول).
  5. مجالات متعددة المسح الضوئي للحصول على فكرة عن كيفية كثيرا شوائب كبيرة (> 100 م في الارتفاع) مصادفة. وبناء على هذه الإحصائيات، استدلال على نظافة العينة.

9. إيداع كولوم الشوائب على الجرافين Surfacه 2-4

  1. الحصول على مصدر الكالسيوم. معايرة تبخر ذرات الكالسيوم مع محلل الغاز المتبقي (RGA) وتوازن دقيق الكوارتز الكريستال (QCM) في اختبار غرفة الفائق. ملاحظة: RGA تقييم نقاء من الكالسيوم ودائع في حين يقيس QCM معدل ترسب الكالسيوم.
    1. تشغيل الحالية من خلال مصدر الكالسيوم.
    2. زيادة الحالي حتى الضغط الجزئي كا من 10 -10 عربة تم الكشف في الطيف الكتلي RGA. يكون على بينة من حقيقة أن الكالسيوم وعار لها نفس الكتلة وهي تمييزه في RGA بالتالي.
    3. قياس معدل ترسب الكالسيوم (طبقة / ثانية) مع QCM.
      1. إدخال الكثافة (على سبيل المثال، 1.55 جم / سم 3 ل Ca أيون) من ودائع لتحويل التردد قيمة التحول إلى ترسب معدل.
      2. رصد معدل ترسب لQCM يقرأ معدل الترسيب في / ثانية؛ تحويل هذا إلى طبقة / ثانية بافتراض أن سمك أحادي الطبقة يساوي القطر الأيوني (على سبيل المثال، 0.228 Å ل Ca أيون) من الودائع.
    4. تحديد تيار الأمثل عن طريق ضبط الحالية حتى يشير إلى رصد معدل ترسب معدل ترسب المطلوب (على سبيل المثال، 3.33 × 10 -5 طبقة / ثانية).
  2. ونظرا لمعدل الترسيب (على سبيل المثال، 3.33 × 10 -5 طبقة / ثانية) في الخطوة 9.1.3، حساب الوقت (ثانية) لإيداع المبلغ المطلوب (على سبيل المثال، 0.01 أحادي الطبقة) من كاليفورنيا. في STM، إيداع الكالسيوم على النحاس (100) السطح في الموقع مع الإعداد الحالي الأمثل من الخطوة 9.1.3. تحقق تغطية الكالسيوم ونظافة بعد ترسب النحاس (100) السطح مع STM (راجع الخطوة 8.5)؛ إعادة ضبط الإعداد الحالي حتى النحاس (100) حالة السطح تحت STM يبدو كما هو متوقع.
    ملاحظة: يتم تحسين المعلمات ترسب على النحاس (100) الأول للحد من مخاطر تلوث الجهاز الجرافين مع ترسب سيئة للرقابة.
  3. نقل الجهاز الجرافين إلى STM لترسب في الموقع في4 K.
  4. إيداع اتهم ذرات الكالسيوم على سطح الجرافين.
    1. قبل إيداع CA على الجرافين، outgass مصدر الكالسيوم. زيادة ببطء الحالي على المصدر بنسبة 0.25 A كل 5-10 دقائق حتى يتم الوصول إلى التيار المطلوب في الخطوة 9.2. إغلاق مصراع بين الجرافين ومصدر الكالسيوم لمنع الملوثات outgassed من الوصول إلى الجرافين.
    2. السماح للتدفق تبخر تستقر لمدة 20 دقيقة قبل فتح مصراع.
    3. فتح مصراع وديعة مرغوب فيه (على سبيل المثال، 0.01 أحادي الطبقة) كمية من الكالسيوم الأيونات على سطح الجرافين. تأكد من أن الجهاز الجرافين لديها خط البصر مع مصدر الكالسيوم. تأكد من أن الطرف STM خارج خط البصر من مصدر الكالسيوم لمنع ذرات الكالسيوم من الالتصاق على طرف STM.
  5. تحقق تغطية الكالسيوم ونظافة سطح الجرافين بعد الترسب مع STM (انظر الخطوة 8.5). الرجوع إلى المرجع. 2، 3، و 4 لمزيد من بروتوكول الدراسة من الشوائب كولوم على الجرافين.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

ويوضح الشكل 1 تخطيطي للجهاز الجرافين بوابات الظهر. الاتحاد الافريقي / تي اتصال لأسباب الفائق لوحة عينة الجرافين كهربائيا تربط الأسلاك، في حين أسلاك الربط سي الأكبر للإلكترود الذي يصل إلى دائرة خارجية العودة بوابات الجهاز. من قبل الجهاز، دولة المسؤول عن النجاسة كولوم في عينة تحيز معين (التي يسيطر عليها طرف STM) يمكن ضبطها إلى ولاية تهمة مختلفة-النابضة الظهر. 2-4

ويبين الشكل 2

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

لتوصيف STM، والأهداف الحاسمة للتصنيع الجهاز الجرافين ما يلي: 1) تزايد أحادي الطبقة الجرافين مع أقل عدد ممكن من العيوب، 2) الحصول على كبيرة، نظيفة وموحدة، ومستمر سطح الجرافين، 3) تجميع جهاز الجرافين مع مقاومة عالية بين الجرافين وبوابة (أي، لا "تسرب بوابة")، و 4) إيداع الفردية الشوائب كولوم.

ويخضع الهدف الأول عن طريق عملية الأمراض القلبية الوعائية، وخلالها الجرافين ينمو على رقائق النحاس. على الرغ...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

المؤلفون ليس لديهم ما يكشفون عنه.

شكر وتقدير

وأيد بحثنا من قبل مدير مكتب العلوم ومكتب علوم الطاقة الأساسية في وزارة الخارجية الأمريكية من البرنامج SP2 الطاقة بموجب عقد لا. DE-AC02-05CH11231 (STM تطوير الأجهزة والتكامل الجهاز). مكتب البحوث البحرية (توصيف الجهاز)، وجائزة NSF لا. CMMI-1235361 (DI / DV التصوير). وقد تم تحليل البيانات STM وجعل استخدام برامج WSxM 33 تم دعم DW وAJB من قبل وزارة الدفاع (وزارة الدفاع) من خلال زمالة الوطنية للعلوم الدفاع وخريج كلية الهندسة (NDSEG) برنامج، 32 CFR 168A.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
رقائق النحاسAlfa AesarCAS # 7440-50-8
Lot # F22X029
Stock # 13382		99.8٪ Cu
Scotch Magic TapeScotch & reg ؛غير متاحلتقشير hBN
PMMAMicro ChemM23004 0500L 1GLA4
FeCl3< / sub> ملعقة مقاومةBel-Art ScienceWare367300015ملعقة كيميائية مزدوجة النهايات مطلية ب PTFE ، بطول 15 سم
FeCl 3< / sub> (aq) RiccaChemical3127-1640٪ w / v
SiO2< / sub> / Si (100) رقاقةNOVA Electric الموادHS39626-OXn / a
h-BNK. Watanabe و T. Taniguchi Groupاتصل بالمجموعةالسداسية اليابانية BN (JBN)
Au (111)Agilent TechnologiesN9805B-FGAu (111) المزروعة فوق المحور على الميكا
الياقوتالدقة Ferrites & amp; شركة السيراميكاتصل بالبائعP / N Sapphire Chips
0.22 × 0.125 × 0.015 "
مصدر CaTrace Sciences International Corp.AS-3-Ca-5-Sn / A
Cu (100)برينستون ScientificContact بائعCu (100) أحادي البلورة
MethanePraxair، Inc.ME 5.0RS-Kغاز سلائف نمو الجرافين
الهيدروجينPraxair، Inc.HY 6.0RS-Kغاز سلائف نمو الجرافين

المراجع

  1. Novoselov, K. S., et al. Electric field effect in atomically thin carbon films. Science. 306 (5696), 666-669 (2004).
  2. Brar, V. W., et al. Gate-controlled ionization and screening of cobalt adatoms on a graphene surface. Nat. Phys. 7 (1), 43-47 (2011).
  3. Wang, Y., et al. Mapping Dirac quasiparticles near a single Coulomb impurity on graphene. Nat. Phys. 8 (9), 653-657 (2012).
  4. Wang, Y., et al. Observing atomic collapse resonances in artificial nuclei on graphene. Science. 340 (6133), 734-737 (2013).
  5. Riss, A., et al. Imaging and tuning molecular levels at the surface of a gated graphene device. ACS Nano. 8 (6), 5395-5401 (2014).
  6. 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).
  7. Pi, K., et al. Electronic doping and scattering by transition metals on graphene. Phys. Rev. B. 80 (7), 075406(2009).
  8. 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).
  9. McChesney, J. L., et al. Extended van Hove singularity and superconducting instability in doped graphene. Phys. Rev. Lett. 104 (13), 136803(2010).
  10. Geim, A. K., Novoselov, K. S. The rise of graphene. Nat. Mater. 6 (3), 183-191 (2007).
  11. Wang, F., et al. Gate-variable optical transitions in graphene. Science. 320 (5873), 206-209 (2008).
  12. 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).
  13. Zhang, Y., et al. Giant phonon-induced conductance in scanning tunneling spectroscopy of gate-tunable graphene. Nat. Phys. 4 (8), 627-630 (2008).
  14. 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).
  15. Novoselov, K. S., et al. Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene. Nature. 438 (7065), 197-200 (2005).
  16. Biswas, R. R., Sachdev, S., Son, D. T. Coulomb impurity in graphene. Phys. Rev. B. 76 (20), 205122(2007).
  17. Novikov, D. S. Elastic scattering theory and transport in graphene. Phys. Rev. B. 76 (24), 245435(2007).
  18. Pereira, V. M., Nilsson, J., Castro Neto, A. H. Coulomb impurity problem in graphene. Phys. Rev. Lett. 99 (16), 166802(2007).
  19. Dean, C. R., et al. Boron nitride substrates for high-quality graphene electronics. Nat. Nanotechnol. 5 (10), 722-726 (2010).
  20. Xue, J., et al. Scanning tunnelling microscopy and spectroscopy of ultra-flat graphene on hexagonal boron nitride. Nat. Mater. 10 (4), 282-285 (2011).
  21. Decker, R., et al. Local electronic properties of graphene on a BN substrate via scanning tunneling microscopy. Nano Lett. 11 (6), 2291-2295 (2011).
  22. Yan, Z., et al. Toward the synthesis of wafer-scale single-crystal graphene on copper foils. ACS Nano. 6 (10), 9110-9117 (2012).
  23. 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).
  24. Li, X., et al. Large-area synthesis of high-quality and uniform graphene films on copper foils. Science. 324 (5932), 1312-1314 (2009).
  25. Zhang, Y., Zhang, L., Zhou, C. Review of chemical vapor deposition of graphene and related applications. Acc. Chem. Res. 46 (10), 2329-2339 (2013).
  26. 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).
  27. Suk, J. W., et al. Transfer of CVD-grown monolayer graphene onto arbitrary subsrates. ACS Nano. 5 (9), 6916-6924 (2011).
  28. Regan, W., et al. A direct transfer of layer-area graphene. Appl. Phys. Lett. 96 (11), 113102(2010).
  29. 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).
  30. 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).
  31. 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).
  32. 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).
  33. 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).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

الوسوم

تلفيق بوابة الانضباطي الجرافين أجهزة لمسح حفر نفق المجهر الدراسات مع كولوم الشوائب
اتصل بنا
أوصِ بها للمكتبة

الخصوصية

شروط الاستخدام

السياسات

2026 © حقوق الطبع والنشر MyJoVE Corporation. جميع الحقوق محفوظة.