新型材料低温磁输运测量的先进实验方法

摘要

我们描述了将新型材料剥离并沉积到衬底上形成微米尺度薄片的方法、用于输运实验的实验器件结构的制备，以及在干式氦闭循环低温恒温器中进行磁输运测量的技术，测量温度可低至0.300 K，磁场强度可达12 T。

摘要

新型电子材料的首次制备通常是通过合成方法获得块体晶体（与单晶薄膜合成相对），以用于探索性材料研究。某些材料存在挑战，传统的块体霍尔棒器件制备方法难以制备出可测量的器件用于样品输运性能测试，主要原因在于单晶尺寸过小，无法以霍尔棒构型在样品上连接导线引线。这种情况可能出现在新合成材料的首批产物仅能得到非常小的单晶，或需要使用一至少数几个单原子层厚度的样品薄片时。为了能够在材料生长方法不断优化的同时快速表征这些材料，已开发出一种适用于极小样品的器件制备方法，使得在初步批次材料一经产出后即可开展新型材料的表征工作。该方法稍作调整后，亦可用于制备基于剥离的二维材料（如石墨烯、六方氮化硼（hBN）和过渡金属硫族化合物（TMDs））及其多层异质结构样品的器件。本文详细介绍了将微米尺度尺寸的新型材料碎片和薄片制备成基底上器件的实验流程，以及在商用超导磁体、干式氦闭循环低温磁输运系统中进行测量的方法，测量温度可低至0.300 K，磁场强度可达12 T。

引言

先进电子技术所需材料平台的研发，要求具备高通量材料合成及其后续表征的方法。在这一研究方向中，感兴趣的新型材料可通过直接反应合成^1,2、电化学生长^3,4以及其他方法⁵实现块体快速制备，其速度优于分子束外延或化学气相沉积等更为复杂的单晶薄膜沉积技术。测量块体晶体样品输运性质的传统方法是：将样品解理成尺寸约为 1 mm × 1 mm × 6 mm 的矩形棱柱，并以霍尔棒构型在样品上连接导线引线⁶。

某些材料存在挑战，传统的体材料霍尔棒器件制备方法不足以制备出可用于样品输运测量的可测器件。这可能是因为所获得的晶体过小，即使在高倍光学显微镜下也难以连接引线；或者所需样品的厚度仅为一个或几个单原子层；又或者目标是测量由近纳米或亚纳米厚度的二维材料堆叠而成的结构。第一类包括例如纳米线以及某些制备形式的钼氧化物青铜⁷。第二类包括单层至极少数层的二维材料，如石墨烯⁸、过渡金属硫族化合物（MoS₂、WTe₂、等）以及拓扑绝缘体（Bi₂Se₃、Bi_xSb_1-xTe₃、等）。第三类则包括通过手动转移堆叠单层二维材料所制备的异质结构，最典型的是hBN-石墨烯-hBN三层结构^9....

方案

1. 底物的制备

1. 获取一片4英寸硅（Si）晶圆，该晶圆由重掺杂p型Si构成，表面覆盖约300 nm的SiO₂₂该底物结构可使其充当背栅。
2. 使用制图/设计软件，在x和y方向上设计一个1 cm × 1 cm的图案，包含等间距的特征结构（如带编号的十字标记），用作转移样品薄片在基底上的位置定位标记，以及电子束光刻的对准标记。图1).
   1. 在 AutoCAD 等制图软件中新建一个文件。
   2. 使用多段线绘制以下标记：i) 由相交的 2.25 µm × 12.00 µm 矩形构成的十字，标有 8.25 µm × 14.25 µm 的数字字符，字符间距为 150 µm；ii) 由角部相连的 30 µm 正方形构成的全局位置标识符，标有 16.50 × 28.50 µm 的数字字符；iii) 小型 15 µm × 15 µm 十字，位于任意四个相距 150 µm 的位置标识符等距中心处。
   3. 确保所有位置标识符均在 1 cm × 1 cm 的范围内。
   4. 将文件保存为 .gds 格式，或另存为其他格式（如 .dxf）后再转换为 .gds 文件。
3. 从商业来源订购或自行设计制作光掩模，将上述 1 cm × 1 cm 图案在 4 英寸 × 4 英寸的区域内阵列排布，以确保能在 4 英寸硅片上完全覆盖该图案的多个复制单元。
....

结果

图3展示了一个典型的霍尔棒器件图案，用于低温磁输运实验。上方的光学图像显示了一个成功制备的石墨烯/hBN霍尔棒；下方图像展示了器件的示意图，其中包括由朗道能级（LLs）产生的朗道-布蒂克边缘态，该输运机制可用于计算量子化霍尔电阻的数值，本文将讨论对此机制的实验研究，作为本文所述实验技术的代表性应用。通常情况下，霍尔棒结构的制备在整个加工流程中构成了巨大挑战。可跳过将样品刻蚀成该形状的步骤，而在样品转移至基底后，直接将电极引线连接到样品薄片上。然而，不规则的几何形状将无法实现对输运特性的精确测量，因此跳过将样品刻蚀为霍尔棒结构的步骤，应仅限于初步测量阶段。

实验参数包括高达 12 T 的磁场、低至 0.300 K 的温度，以及高达 30 V 的栅极电压。交流电流可由锁相放大器的振荡器提供，并配合进行相应的锁相交流电压测量；而直流电流则可由源表提供，并配合进行相应的直流电压测量。交流与直流的选择以及电流的大小，必须根据所研.......

讨论

在获得高质量的块体样品并对其成分和结构进行表征以确保其合适性后，需将样品加工成特定几何形状，方法是将样品薄片剥离并转移至尺寸为1 cm × 1 cm的衬底上。优选由重p型掺杂Si和约300 nm厚SiO₂层组成的衬底，因其可通过施加背栅极扩展实验参数空间。样品必须足够薄——厚度小于10 nm——以产生足够强的场效应，从而调节霍尔棒器件整个导电通道的化学势。通过使用标准晶圆切割胶带从块体材料上充分剥离薄片，并将附有薄片的胶带反复粘贴至新的胶带上，直至薄片达到预定实验所需的厚度，以此控制样品厚度。转移至衬底上的样品尺寸过小，肉眼无法观察，因此必须使用光学显微镜识别适合制备成霍尔棒的转移样品。样品薄片的厚度可利用原子力显微镜（AFM）精确测量，但经验丰富的研究人员也可能根据薄片的颜色判断其是否达到目标厚度。

本文所述技术流程中的一个显著挑战是样品薄片无法通过范德华力充分粘附在基底片上。在这种情况下，在制备过程中的多个步骤中（尤其是在溶剂中浸泡时），样品薄片可能会被冲刷或碰撞脱离基底表面。本文所描述的新技术通过在基底片上溅射沉积一层SiO₂来固定.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
Cryogenic Limited 12 T CFMS	Cryogen Limited	CFM-12T-H3- IVTI-25	配备调制磁场磁体的磁输运系统（步骤 4）
7270 DSP 锁相放大器	Signal Recovery	7270	用于源极/漏极及电压测量的锁相放大器（步骤 4）
GS200 直流电压/电流源	Yokogawa	GS200	用于施加栅极电压的电压源（步骤 4）
2636B 系统源表	Keithley	2636B	用于源极/漏极及电压测量的源表
DWL 2000 激光图形发生器	Heidelberg Instruments	DWL 2000	生成用于衬底定位/对准特征图案光刻的铬版掩模（步骤 1.3）
Suss MicroTec MA6/BA6 接触式对准仪	Suss	MA6	用于衬底定位/对准特征图案的光刻（步骤 1.4.12）
JEOL 直写电子束光刻系统	JEOL	JBX 6300-FS	执行器件的高分辨率光刻
Discovery 550 溅射系统	Denton Vacuum	Discovery 550	执行 SiO2 溅射（步骤 2.5）
Infinity 22 电子束蒸发仪	Denton Vacuum	Infinty 22	执行 Cr/Au 沉积（步骤 1.5 和 3.7）
Unaxis 790 反应离子刻蚀机	Unaxis	Unaxis 790	将样品刻蚀成霍尔棒结构（步骤 3.4）
PMMA 495 A4	MicroChem	PMMA 495 A4	用于光刻的聚合物涂层/电子束掩模（步骤 3.5.1）
PMMA 950 A4	MicroChem	PMMA 950 A4	用于样品切割和光刻的聚合物涂层/电子束掩模（步骤 1.7.3、3.3.1 和 3.5.2）
S1813 正性光刻胶	MicroChem	S1813 G2	正性光刻胶（步骤 1.4.8）
LOR 光刻胶	MicroChem	LOR 3A	剥离型光刻胶（步骤 1.4.3）
1:3 MIBK:IPA PMMA 显影液	MicroChem	1:3 MIBK:IPA	PMMA 显影液
MF-321 显影液	MicroChem	MF-321	适用于酚醛清漆正性光刻胶的显影溶液（步骤 1.4.15）
双缩水甘油醚封端聚二甲基硅氧烷	Sigma Aldrich	SA 480282	用于层状材料堆叠（步骤 2.6.1）
聚碳酸亚丙酯	Sigma Aldrich	SA 389021	用于层状材料堆叠（步骤 2.6.2）