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

Summary

本文详细介绍了一种栅极可调石墨烯器件的制造过程，该器件用库仑杂质装饰，用于扫描隧道显微镜研究。在带电杂质存在下绘制石墨烯的空间依赖性电子结构，揭示了其相对论电荷载流子响应局部库仑势的独特行为。

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....

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....

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.......

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.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
铜箔	Alfa Aesar	CAS # 7440-50-8 批次 # F22X029 Stock # 13382	99.8% Cu
Scotch Magic Tape	Scotch®	不适用	去除六方氮化BN
PMMA	Micro Chem	M23004 0500L 1GL	A4
FeCl3 勺	Bel-Art ScienceWare	367300015	PTFE 涂层双头化学勺，15 cm 长
FeCl3 （aq）	Ricca Chemical	3127-16	40% w/v
SiO2/Si（100） 芯片	NOVA Electric材料	HS39626-OX	n/a
h-BN	K. Watanabe 和 T. Taniguchi 小组	联系人 组	六边形 日本 BN （JBN）
Au（111）	安捷伦科技公司	N9805B-FG	Au（111） 外延生长在云母
上 蓝宝石	精密铁氧体 &陶瓷公司	联系供应商	P/N 蓝宝石芯片 0.22 x 0.125 x 0.015"
Ca 源	Trace Sciences International Corp.	AS-3-Ca-5-S	n/a
Cu（100）	普林斯顿科学	公司 联系供应商	Cu（100） 单晶
甲烷	Praxair， Inc.	ME 5.0RS-K	石墨烯生长前驱体气体
Hydrogen	Praxair， Inc.	HY 6.0RS-K	石墨烯生长前驱体气体