本文详细描述了一种门电压可调的石墨烯器件的制备过程，该器件经库仑杂质修饰，可用于扫描隧道显微镜研究。在带电杂质存在的情况下，对石墨烯空间依赖的电子结构进行成像，揭示了其相对论性电荷载流子对局域库仑势的独特响应行为。
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本文内容
摘要
摘要
由于石墨烯具有相对论性的低能载流子，其与各种杂质的相互作用导致了大量新的物理现象，并为调控电子器件提供了额外的自由度。特别是，石墨烯载流子在带电库仑杂质势场作用下的行为，被预测会显著不同于大多数材料中的情况。扫描隧道显微镜（STM）和扫描隧道谱学（STS）能够提供石墨烯在存在带电杂质时，其电子结构在空间和能量依赖性方面的详细信息。 通过在背栅石墨烯表面精确沉积杂质来制备杂化杂质-石墨烯器件的设计，已实现多种可调控地调节石墨烯电子性质的新方法1-8。静电栅极调控可控制石墨烯中的载流子密度，并可逆地调节杂质的电荷2和/或分子5态。本文概述了制备单个库仑杂质修饰的、可用于联合STM/STS研究的栅极可调石墨烯器件的工艺流程2-5。这些研究为理解其内在物理机制提供了宝贵的见解，同时也为设计杂化石墨烯器件指明了方向。
引言
石墨烯是一种具有独特线性能带结构的二维材料，这使其具备优异的电学、光学和力学性能。1,9-16 其低能载流子可被描述为相对论性的无质量狄拉克费米子15，其行为与传统体系中非相对论性载流子的行为显著不同。15-18 将多种杂质可控地沉积到石墨烯上，为实验研究这些相对论性载流子对各种扰动的响应提供了一个简单而多功能的平台。对这类体系的研究表明，石墨烯中的杂质可以调节化学势6,7，改变有效介电常数8，甚至可能引发电子介导的超导性9。许多此类研究6-8采用静电门控技术来调控杂质-石墨烯杂化器件的性质。静电门控可以在无迟滞的情况下调节材料相对于其费米能级的电子结构。2-5 此外，通过调控这些杂质的电荷态2或分子态5，静电门控能够可逆地改变杂质-石墨烯杂化器件的性质。
通过背栅调控石墨烯器件为利用扫描隧道显微镜（STM）进行研究提供了理想的体系。扫描隧道显微镜包含一个尖锐的金属探针，该探针位于导电表面几埃的距离之外。在探针与表面之间施加偏压时，电子可在二者之间隧穿。在最常见的恒流模式下，通过逐行扫描探针，可以绘制出样品表面的形貌图。此外，通过分析微分电导谱 dI/dV（其正比于局域态密度，LDOS），可研究样品的局域电子结构。该测量通常被称为扫描隧道谱（....
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方案
1. 铜箔的电化学抛光22,23
注意：电化学抛光通过去除表面保护层并控制生长成核密度，暴露出用于石墨烯生长的洁净铜表面。
- 通过混合 100 ml 超纯水、50 ml 乙醇、50 ml 磷酸、10 ml 异丙醇和 1 g 尿素，配制电化学抛光液。
- 将铜箔切成多个 3 cm × 3 cm 的小片。注意：每片铜箔用作阳极或阴极。
- 用夹具将铜箔垂直夹紧，连接至电源相应电极，以组装阳极/阴极。
注意：阳极（正极）将用于电化学抛光，以生长石墨烯。 - 在开始抛光前，将电源的电压设定为恒定的 4.8 V。
- 将阳极和阴极同时浸入电化学抛光液后，立即开启电源。电极间距约为 2 cm。检查所得电流是否在 1–2 A 范围内。
- 通电 2 分钟后关闭电源，停止电化学抛光。取出阳极，并立即依次用超纯水、丙酮和异丙醇分别冲洗。
- 用 N2 气体吹干冲洗后的铜箔，并将其存放在干燥容器中。
2. 铜箔上石墨烯的化学气相沉积（CVD）22-25
- 将石英管放入CVD炉中，并使用KF接头将该管连接至其余气体管路。
- 将电化学抛光的铜箔放置在石英舟上方。使用长杆将石英舟推入石英管中，直至铜....
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结果
图1展示了一个背栅型石墨烯器件的示意图。通过引线键合将Au/Ti触点连接至超高真空（UHV）样品台，使石墨烯实现电学接地；同时，将Si衬底通过引线键合连接至一个与外部电路相连的电极，从而实现器件的背栅调控。通过调节背栅电压，可在给定的样品偏压（由扫描隧道显微镜探针控制）下，将样品中库仑杂质的电荷态调控至另一种不同的电荷态。2-4
图2 概述了制备栅极可调谐石墨烯器件的步骤。首先对铜箔进行电化学抛光，以去除其表面保护涂层并调节其生长籽晶密度。23,24 电化学抛光后，铜箔表面应变得更加光滑，肉眼观察应比抛光前更光亮。经电化学抛光的铜箔可作为化学气相沉积（CVD）生长石墨烯的催化基底。随后将石墨烯转移至 h-BN/SiO₂ 基底上2 底物 通过 PMMA 转移。将所得样品在 Ar/H2 气氛中表征（图3随后，将其组装为背栅器件。
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讨论
对于STM表征，石墨烯器件制备的关键目标包括：1）生长缺陷数量极少的单层石墨烯，2）获得大面积、洁净、均匀且连续的石墨烯表面，3）组装石墨烯与栅极之间具有高电阻的石墨烯器件即， 无“栅极漏电”），以及4）沉积单个库仑杂质。
第一个目标由化学气相沉积（CVD）过程控制，在此过程中石墨烯在铜箔上生长。尽管存在多种基底候选材料（例如， Ni、Ru、Ir、Pt、Co、Pd 等等。铜因其极低的碳溶解度，被公认为最能选择性地生成单层石墨烯。25 然而，由于多种因素的影响，单层石墨烯的选择性生长仍然具有难度且难以保持一致。22-25 尽管电化学抛光无疑为石墨烯生长提供了更理想的基底条件，但我们的原子力显微镜（AFM）表征结果显示，铜表面在微观尺度上仍存在不均匀和粗糙的现象。此外，不同铜箔之间化学残留物带来的污染程度也可能存在差异。退火参数对于在生长过程中持续获得洁净且均匀的铜表面至关重要。在接近铜熔点（1,085 °C）的高温（1,050 °C）下，结合高流量氢气（~200 sccm）进行退火处理，.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本研究得到了美国能源部科学办公室基础能源科学办公室 sp2 项目（合同号：DE-AC02-05CH11231，用于STM仪器开发与器件集成）、美国海军研究办公室（器件表征）以及美国国家科学基金会（NSF奖号：CMMI-1235361，dI/dV成像）的支持。STM数据采用WSxM软件进行分析与成像处理。33 D. W. 和 A.J.B. 获得美国国防部（DoD）国家国防科学与工程研究生奖学金的资助 & 工程研究生奖学金（NDSEG）项目，32 CFR 168a。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 铜箔 | Alfa Aesar | CAS # 7440-50-8 批号 # F22X029 货号 # 13382 | 99.8% 铜 |
| Scotch Magic 透明胶带 | Scotch® | 不适用 | 用于剥离 hBN |
| PMMA | Micro Chem | M23004 0500L 1GL | A4 |
| FeCl3 耐腐蚀药匙 | Bel-Art ScienceWare | 367300015 | PTFE 涂层双头化学药匙，长度 15 cm |
| FeCl3 (水溶液) | Ricca Chemical | 3127-16 | 40% w/v |
| SiO2/Si(100) 芯片 | NOVA Electric Materials | HS39626-OX | 不适用 |
| 六方氮化硼（h-BN） | K. Watanabe 和 T. Taniguchi 研究组 | 联系该研究组 | 日本产六方氮化硼（JBN） |
| Au(111) | Agilent Technologies | N9805B-FG | 在云母上外延生长的 Au(111) |
| 蓝宝石 | Precision Ferrites & Ceramic, Inc. | 联系供应商 | 货号 蓝宝石芯片 0.22 x 0.125 x 0.015" |
| 钙源 | Trace Sciences International Corp. | AS-3-Ca-5-S | 不适用 |
| Cu(100) | Princeton Scientific | 联系供应商 | Cu(100) 单晶 |
| 甲烷 | Praxair, Inc. | ME 5.0RS-K | 石墨烯生长前驱气体 |
| 氢气 | Praxair, Inc. | HY 6.0RS-K | 石墨烯生长前驱气体 |
参考文献
- 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 (....
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重印与许可
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