Name: Herstellung von Tor-abstimmbaren Graphene Geräte für Rastertunnelmikroskopie Studies mit Coulomb Verunreinigungen (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-07-24T15:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 42 s
Description: Erfahren Sie die Herstellung von tor-abstimmbaren Graphen-Geräten für Rastertunnelmikroskopie-Studien mit Coulomb-Verunreinigungen. Diese Methode ermöglicht die Untersuchung der elektronischen Struktur von Graphen.

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Unsere Forschung wurde von der Direktorin, Amt für Wissenschaft, Office of Basic Energy Sciences des US Department of Energy sp2-Programm im Rahmen des Vertrages unterstützt. DE-AC02-05CH11231 (STM Instrumentenentwicklung und Geräteintegration); das Office of Naval Research (Bauteilcharakterisierung) und NSF award-Nr. CMMI-1235361 (dI / dV-Bildgebung). STM-Daten wurden analysiert und unter Verwendung des WSxM Software. 33 DW und AJB wurden vom Department of Defense (DoD) durch die National Defense Science &amp; Engineering Graduate Fellowship (NDSEG) Programm, 32 CFR 168 a unterstützt.

<ol><li>Novoselov, K. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electric+field+effect+in+atomically+thin+carbon+films%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Electric field effect in atomically thin carbon films.</a> Science. 306 (5696), 666-669 (2004).</li>
<li>Brar, V. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Gate-controlled+ionization+and+screening+of+cobalt+adatoms+on+a+graphene+surface%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Phys%22%5BJournal%5D)">Gate-controlled ionization and screening of cobalt adatoms on a graphene surface.</a> Nat. Phys. 7 (1), 43-47 (2011).</li>
<li>Wang, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mapping+Dirac+quasiparticles+near+a+single+Coulomb+impurity+on+graphene%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Phys%22%5BJournal%5D)">Mapping Dirac quasiparticles near a single Coulomb impurity on graphene.</a> Nat. Phys. 8 (9), 653-657 (2012).</li>
<li>Wang, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Observing+atomic+collapse+resonances+in+artificial+nuclei+on+graphene%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Observing atomic collapse resonances in artificial nuclei on graphene.</a> Science. 340 (6133), 734-737 (2013).</li>
<li>Riss, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Imaging+and+tuning+molecular+levels+at+the+surface+of+a+gated+graphene+device%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">Imaging and tuning molecular levels at the surface of a gated graphene device.</a> ACS Nano. 8 (6), 5395-5401 (2014).</li>
<li>Chen, J. H., Jang, C., Adam, S., Fuhrer, M. S., Williams, E. D., Ishigami, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Charged-impurity+scattering+in+graphene%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Phys%22%5BJournal%5D)">Charged-impurity scattering in graphene.</a> Nat. Phys. 4 (5), 377-381 (2008).</li>
<li>Pi, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electronic+doping+and+scattering+by+transition+metals+on+graphene%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+B%22%5BJournal%5D)">Electronic doping and scattering by transition metals on graphene.</a> Phys. Rev. B. 80 (7), 075406(2009).</li>
<li>Jang, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tuning+the+effective+fine+structure+constant+in+graphene%3A+Opposing+effects+of+dielectric+screening+on+short-+and+long-range+potential+scattering%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Tuning the effective fine structure constant in graphene: Opposing effects of dielectric screening on short- and long-range potential scattering.</a> Phys. Rev. Lett. 101 (14), 146805(2008).</li>
<li>McChesney, J. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Extended+van+Hove+singularity+and+superconducting+instability+in+doped+graphene%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Extended van Hove singularity and superconducting instability in doped graphene.</a> Phys. Rev. Lett. 104 (13), 136803(2010).</li>
<li>Geim, A. K., Novoselov, K. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+rise+of+graphene%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Mater%22%5BJournal%5D)">The rise of graphene.</a> Nat. Mater. 6 (3), 183-191 (2007).</li>
<li>Wang, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Gate-variable+optical+transitions+in+graphene%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Gate-variable optical transitions in graphene.</a> Science. 320 (5873), 206-209 (2008).</li>
<li>Lee, C., Wei, X. D., Kysar, J. W., Hone, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measurement+of+the+elastic+properties+and+intrinsic+strength+of+monolayer+graphene%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Measurement of the elastic properties and intrinsic strength of monolayer graphene.</a> Science. 321 (5887), 385-388 (2008).</li>
<li>Zhang, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Giant+phonon-induced+conductance+in+scanning+tunneling+spectroscopy+of+gate-tunable+graphene%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Phys%22%5BJournal%5D)">Giant phonon-induced conductance in scanning tunneling spectroscopy of gate-tunable graphene.</a> Nat. Phys. 4 (8), 627-630 (2008).</li>
<li>Zhang, Y., Tan, Y. W., Stormer, H. L., Kim, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experimental+observation+of+the+quantum+Hall+effect+and+Berry%E2%80%99s+phase+in+graphene%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Experimental observation of the quantum Hall effect and Berry’s phase in graphene.</a> Nature. 438 (7065), 201-204 (2005).</li>
<li>Novoselov, K. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Two-dimensional+gas+of+massless+Dirac+fermions+in+graphene%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene.</a> Nature. 438 (7065), 197-200 (2005).</li>
<li>Biswas, R. R., Sachdev, S., Son, D. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Coulomb+impurity+in+graphene%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+B%22%5BJournal%5D)">Coulomb impurity in graphene.</a> Phys. Rev. B. 76 (20), 205122(2007).</li>
<li>Novikov, D. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Elastic+scattering+theory+and+transport+in+graphene%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+B%22%5BJournal%5D)">Elastic scattering theory and transport in graphene.</a> Phys. Rev. B. 76 (24), 245435(2007).</li>
<li>Pereira, V. M., Nilsson, J., Castro Neto, A. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Coulomb+impurity+problem+in+graphene%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Coulomb impurity problem in graphene.</a> Phys. Rev. Lett. 99 (16), 166802(2007).</li>
<li>Dean, C. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Boron+nitride+substrates+for+high-quality+graphene+electronics%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Nanotechnol%22%5BJournal%5D)">Boron nitride substrates for high-quality graphene electronics.</a> Nat. Nanotechnol. 5 (10), 722-726 (2010).</li>
<li>Xue, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Scanning+tunnelling+microscopy+and+spectroscopy+of+ultra-flat+graphene+on+hexagonal+boron+nitride%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Mater%22%5BJournal%5D)">Scanning tunnelling microscopy and spectroscopy of ultra-flat graphene on hexagonal boron nitride.</a> Nat. Mater. 10 (4), 282-285 (2011).</li>
<li>Decker, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Local+electronic+properties+of+graphene+on+a+BN+substrate+via+scanning+tunneling+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">Local electronic properties of graphene on a BN substrate via scanning tunneling microscopy.</a> Nano Lett. 11 (6), 2291-2295 (2011).</li>
<li>Yan, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Toward+the+synthesis+of+wafer-scale+single-crystal+graphene+on+copper+foils%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">Toward the synthesis of wafer-scale single-crystal graphene on copper foils.</a> ACS Nano. 6 (10), 9110-9117 (2012).</li>
<li>Zhang, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Low-temperature+chemical+vapor+deposition+growth+of+graphene+from+toluene+on+electropolished+copper+foils%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">Low-temperature chemical vapor deposition growth of graphene from toluene on electropolished copper foils.</a> ACS Nano. 6 (3), 2471-2476 (2012).</li>
<li>Li, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Large-area+synthesis+of+high-quality+and+uniform+graphene+films+on+copper+foils%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Large-area synthesis of high-quality and uniform graphene films on copper foils.</a> Science. 324 (5932), 1312-1314 (2009).</li>
<li>Zhang, Y., Zhang, L., Zhou, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Review+of+chemical+vapor+deposition+of+graphene+and+related+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Acc.+Chem.+Res%22%5BJournal%5D)">Review of chemical vapor deposition of graphene and related applications.</a> Acc. Chem. Res. 46 (10), 2329-2339 (2013).</li>
<li>Reina, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Transferring+and+identification+of+single-and+few-layer+graphene+on+arbitrary+substrates%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Phys.+Chem.+C%22%5BJournal%5D)">Transferring and identification of single-and few-layer graphene on arbitrary substrates.</a> J. Phys. Chem. C. 112 (46), 17741-17744 (2008).</li>
<li>Suk, J. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Transfer+of+CVD-grown+monolayer+graphene+onto+arbitrary+subsrates%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">Transfer of CVD-grown monolayer graphene onto arbitrary subsrates.</a> ACS Nano. 5 (9), 6916-6924 (2011).</li>
<li>Regan, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+direct+transfer+of+layer-area+graphene%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">A direct transfer of layer-area graphene.</a> Appl. Phys. Lett. 96 (11), 113102(2010).</li>
<li>Ishigami, M., Chen, J. H., Cullen, W. G., Fuhrer, M. S., Williams, E. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Atomic+structure+of+graphene+on+SiO2%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">Atomic structure of graphene on SiO2.</a> Nano Lett. 7 (6), 1643-1648 (2007).</li>
<li>Dan, Y., Lu, Y., Kybert, N. J., Luo, Z., Johnson, A. T. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Intrinsic+response+of+graphene+vapor+sensors%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">Intrinsic response of graphene vapor sensors.</a> Nano Lett. 9 (4), 1472-1475 (2009).</li>
<li>Chen, W., Madhavan, V., Jamneala, T., Crommie, M. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Scanning+tunneling+microscopy+observation+of+an+electronic+superlattice+at+the+surface+of+clean+gold%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Scanning tunneling microscopy observation of an electronic superlattice at the surface of clean gold.</a> Phys. Rev. Lett. 80 (7), 1469-1472 (1998).</li>
<li>Saito, R., Hofmann, M., Dresselhaus, G., Jorio, A., Dresselhaus, M. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Raman+spectroscopy+of+graphene+and+carbon+nanotubes%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Phys%22%5BJournal%5D)">Raman spectroscopy of graphene and carbon nanotubes.</a> Adv. Phys. 60 (3), 413-550 (2011).</li>
<li>Horcas, I., Fernandez, R., Gomez-Rodriguez, J. M., Colchero, J., Gomez-Herrero, J., Baro, A. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((WSXM%3A+A+software+for+scanning+probe+microscopy+and+a+tool+for+nanotechnology%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Sci.+Instrum%22%5BJournal%5D)">WSXM: A software for scanning probe microscopy and a tool for nanotechnology.</a> Rev. Sci. Instrum. 78 (1), 013705(2007).</li>
</ol>

Autoren haben nichts offenzulegen.

Für STM-Charakterisierung, kritische Ziele der Graphenvorrichtungsherstellung: 1) wachsenden Monolayer-Graphen mit einer minimalen Anzahl von Defekten, 2) Erhalten eines großen, saubere, gleichmäßige und kontinuierliche Oberfläche Graphen, 3) Zusammenbau einer Graphen-Vorrichtung mit hoher Widerstand zwischen die Graphen und das Gate (dh kein &quot;gate leakage&quot;), und 4) Aufbringen individueller Coulomb Verunreinigungen. Das erste Ziel wird durch das CVD-Verfahren, bei dem Grap...

Graphen ist ein zweidimensionaler Material mit einer einzigartigen Linearbandstruktur, die zu seiner außergewöhnlichen elektrischen, optischen und mechanischen Eigenschaften verleiht. 1,9-16 Die Niedrigenergie-Ladungsträger als relativistische, masselose Dirac-Fermionen 15, dessen beschrieben Verhalten unterscheidet sich deutlich von dem der nicht-relativistischen Ladungsträger in herkömmlichen Systemen. 15-18 kontrollierte Abscheidung einer Vielzahl von Verunreinigungen auf Graphen stellt eine einfache, aber vielseitige Plattform für experimentelle Untersuchungen der Reaktion dieser relativistischen Ladungsträger zu einer Reihe von Störungen. Untersuchungen solcher Systeme zeigen, dass Graphen Verunreinigungen können die chemische Potential 6,7 verschieben, ändern, die effektive dielektrische Konstante 8 und möglicherweise elektronisch vermittelten Supraleitung 9 führen. Viele dieser Studien 6-8 beschäftigen elektro Gating als ein Mittel, um die Eigenschaften des Hybrid impurit Tuningy-Graphen-Gerät. Elektrostatische Gating kann die elektronische Struktur eines Materials in Bezug auf seine Fermi-Niveau ohne Hysterese Außerdem verlagern. 2-5, durch Abstimmung der Ladung 2 oder 5 Molekülzustände solcher Verunreinigungen kann zu elektrostatischer Gating reversibel die Eigenschaften eines Hybrid Verunreinigungen Graphen ändern Gerät. Zurück Anschnitt eine Graphen-Gerät bietet ein ideales System für die Untersuchung durch Rastertunnelmikroskopie (STM). Ein Rastertunnelmikroskop besteht aus einer scharfen Metallspitze aus einem leitfähigen Oberfläche gehalten wenige Angström entfernt. Durch Anlegen einer Vorspannung zwischen der Spitze und der Oberfläche tunneln Elektronen zwischen den beiden. Bei der häufigsten Modus Konstantstrommodus, kann die Topographie der Probenoberfläche der Karte durch Rasterabtasten der Spitze hin und her. Zusätzlich kann die lokale elektronische Struktur der Probe durch die Untersuchung einer differentiellen Leitfähigkeit dI / dV-Spektrum, das proportional zur lokalen de untersucht werdennsity von Staaten (LDOS). Diese Messung wird oft die Rastertunnelspektroskopie (STS) bezeichnet. Durch separates Steuern der Vorspannung und Back-Gate-Spannungen kann die Reaktion des Graphen, um Verunreinigungen durch die Analyse des Verhaltens dieser dI / dV Spektren untersucht werden. 2-5 In diesem Bericht, die Herstellung eines Back-Gate Graphen-Gerät mit Coulomb Verunreinigungen dekoriert (zB geladene Ca-Atome) skizziert. Die Vorrichtung besteht aus Elementen in der folgenden Reihenfolge (von oben nach unten): Calcium Adatomen und Clustern, Graphen, hexagonales Bornitrid (h-BN), Siliziumdioxid (SiO 2), Bulk-Silizium (Figur 1). h-BN ist ein isolierender Dünnfilm, der eine atomar flach und elektrisch homogenen Substrat für den Graphen stellt. 19-21 h-BN und SiO 2 wirken als Dielektrika und Schütt Si dient als Rückgate. Um das Gerät zu fertigen, ist Graphen zunächst auf einer electroche gewachsenmisch poliert Cu Folie 22,23, die als saubere katalytische Oberfläche für die chemische Dampfabscheidung (CVD) 22-25 von Graphen dient. In einem CVD-Wachstum, Methan (CH 4) und Wasserstoff (H 2) Vorläufergase durchlaufen Pyrolyse Domänen von Graphen Kristalle auf der Cu-Folie zu bilden. Diese Domänen wachsen und schließlich miteinander verschmelzen, wodurch eine polykristalline Graphenschicht. 25. Das resultierende Graphen auf das Zielsubstrat übertragen wird, eine h-BN / SiO2 Chips (durch mechanische Peeling 19-21 h-BN auf einem SiO 2 / Si (100) Chip) über Poly (methylmethacrylat) (PMMA) zu übertragen. 26-28 In der PMMA-Transfer, die Graphen auf Cu ist mit einer Schicht aus PMMA erste Spin-beschichtet. Die PMMA / Graphen / Cu Probe dann schwimmt auf einer Ätzlösung (beispielsweise FeCl 3 (aq) 28), die auswärts der Cu ätzt. Das nicht umgesetzte PMMA / Graphen Probe mit einem h-BN / SiO 2 Chip und anschließend gefischtin einem organischen Lösungsmittel gereinigt werden (beispielsweise CH 2 Cl 2) und Ar / H 2 -Umgebung 29,30 um die PMMA-Schicht zu entfernen. Die sich ergebende Graphen / h-BN / SiO 2 / Si Probe wird dann drahtgebondet, um elektrischen Kontakte an einem Ultrahochvakuum (UHV) Probenplatte und in einer UHV-Kammer geglüht. Schließlich wird das Graphen Vorrichtung in situ mit Coulomb Verunreinigungen abgeschieden (zB geladene Ca-Atome) und studiert von STM. 2-5

<table><tbody><tr><td>Cu Folie</td><td>Alfa Aesar</td><td>CAS # 7440-50-8 Los # F22X029 Lager # 13382</td><td>99,8% Cu</td></tr><tr><td>Scotch Magic Tape</td><td>Scotch&reg;</td><td>N/A</td><td>für das Peeling von hBN</td></tr><tr><td>PMMA</td><td>Micro Chem</td><td>M23004 0500L 1GL</td><td>A4</td></tr><tr><td>FeCl3 beständiger Löffel</td><td>Bel-Art ScienceWare</td> 367300015 <td>PTFE-beschichteter doppelseitiger chemischer Löffel, 15 cm lang</td><td></td></tr><tr><td>FeCl3 (aq)</td><td>Ricca Chemical</td><td>3127-16</td><td>40% w/v</td></tr><tr><td>SiO2/Si(100) Chip</td><td>NOVA Electric Werkstoffe</td><td>HS39626-OX</td><td>n/a</td></tr><tr><td>h-BN</td><td>K. Watanabe und T. Taniguchi Group</td><td>Kontaktieren Sie die Gruppe</td><td>hexagonal Japanisches BN (JBN)</td></tr><tr><td>Au(111)</td><td>Agilent Technologies</td><td>N9805B-FG</td><td>Au(111) epitaktisch auf Glimmer gezüchtet</td></tr><tr><td>Saphir</td><td>Präzisionsferrite & Keramik, Inc.</td><td>Kontaktieren Sie den Anbieter</td><td>P/N Sapphire Chips 0,22 x 0,125 x 0,015</td></tr>"<tr><td>Ca-Quelle</td><td>: Trace Sciences International Corp.</td><td>AS-3-Ca-5-S</td><td>n/a</td></tr><tr><td>Cu(100)</td><td>Princeton Scientific</td><td>Kontaktieren Sie den Anbieter</td><td>Cu(100) einkristallines</td></tr><tr><td>Methan</td><td>Praxair, Inc.</td><td>ME 5.0RS-K</td><td>Graphen-Wachstumsvorläufergas</td></tr><tr><td>Wasserstoff</td><td>Praxair, Inc.</td><td>HY 6.0RS-K</td><td>Graphen-Wachstumsvorläufergas</td></tr></tbody></table>

herstellung von tor-abstimmbaren graphene geräte für rastertunnelmikroskopie studies mit coulomb verunreinigungen

Fabrication of Gate-tunable Graphene Devices for Scanning Tunneling Microscopy Studies with Coulomb Impurities

Aufgrund seiner relativistischen Niedrigenergie Ladungsträger, die Interaktion zwischen Graphen und verschiedene Verunreinigungen führt zu einer Fülle neuer Physik und Freiheitsgrade, um elektronische Geräte steuern. Insbesondere wird das Verhalten der Ladungsträger von Graphen in Reaktion auf Potentiale von geladenen Coulomb Verunreinigungen vorhergesagt, von dem der meisten Materialien signifikant. Rastertunnelmikroskopie (STM) und Rastertunnelspektroskopie (STS) Detaillierte Informationen finden Sie sowohl auf der räumlichen und Energieabhängigkeit der elektronischen Struktur von Graphen in Gegenwart eines geladenen Verunreinigung bereitzustellen. Die Konstruktion eines Hybridverunreinigungs Graphen Vorrichtung hergestellt durch kontrollierte Ablagerung von Verunreinigungen auf einem Back-Gate versehenen Graphitoberfläche, mehrere neuartige Verfahren zur elektronischen Eigenschaften steuerbar tuning Graphens aktiviert. 1-8 Elektro Gating ermöglicht die Steuerung der Ladungsträgerdichte in Graphen und die Fähigkeit, REVERSIbly Abstimmung der Ladung 2 und / oder molekular 5 Zustände der Verunreinigung. In diesem Dokument werden die Verfahren zur Herstellung einer Gate-abstimmbaren Graphen-Gerät mit Einzel Coulomb Verunreinigungen für den kombinierten STM / STS-Studien eingerichtet. 2-5 Diese Studien liefern wertvolle Einblicke in die zugrunde liegende Physik, aber auch als Wegweiser für die Gestaltung von Graphen-Hybrid-Geräte.

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Back-Gate Graphen Gerät. Drahtbonden Au / Ti-Kontakt zu einer UHV Probenplatte Gründe Graphen elektrisch, während Draht-Bonding-Si Groß mit einer Elektrode, die mit einer externen Schaltung verbindet Back-Gates das Gerät. Durch Rückanschnitt eine Vorrichtung, einen Ladezustand einer Coulomb Verunreinigung bei einer gegebenen Probenspannung (die durch die STM-Spitze gesteuert wird) kann zu einem anderen Ladungszustand abgestimmt werden. 2-4 </p...

Dieser Artikel beschreibt den Herstellungsprozess eines Gate-abstimmbaren Graphen-Geräts, das mit Coulomb-Verunreinigungen für Rastertunnelmikroskopie-Studien verziert ist. Die Kartierung der räumlich abhängigen elektronischen Struktur von Graphen in Gegenwart von geladenen Verunreinigungen enthüllt das einzigartige Verhalten seiner relativistischen Ladungsträger als Reaktion auf ein lokales Coulomb-Potential.

Herstellung von Tor-abstimmbaren Graphene Geräte für Rastertunnelmikroskopie Studies mit Coulomb Verunreinigungen

Owing to its relativistic low-energy charge carriers, the interaction between graphene and various impurities leads to a wealth of new physics and degrees ...

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, einen rückwärtig geregelten Graphen-Transistor mit Ulam-Unreinheiten herzustellen, der für Raster-Tunnelmikroskopie- und Spektroskopieuntersuchungen geeignet ist. Dies wird erreicht, indem zunächst ein einkristallines Graphen auf einer elektrochemisch polierten Kupferfolie gezüchtet und anschließend auf ein hexagonales Bornitrid-Siliziumdioxid-Substrat übertragen wird. Der zweite Schritt besteht darin, die Graphen-hexagonale Bornitrid-Siliziumdioxid-Heterostruktur in einer Argon-Wasserstoff-Umgebung zu reinigen und eine Gold-Titan-Kontaktfläche auf das Graphen aufzudampfen.Anschließend wird die Heterostruktur durch Drahtbonden auf geeignete Anschlüsse eines Probenhalters für ein Rastertunnelmikroskop zu einem gatterabstimmbaren Bauelement zusammengebaut. Im letzten Schritt erfolgt die Kalibrierung der Rastertunnelmikroskop-Spitze an einer Gold-1-1-1-Oberfläche sowie das Aufdampfen und Abkühlen von Fremdatomen auf Graphen in einer ultrahochvakuumdichten Umgebung. Abschließend wird mit Hilfe der Rastertunnelmikroskopie die abgekühlten Fremdatome auf dem gatterabstimmbaren Graphen-Bauelement abgebildet und die ortsabhängige elektronische Struktur von Graphen in Gegenwart geladener Verunreinigungen untersucht.Der Hauptvorteil der Rastertunnelmikroskopie gegenüber anderen Methoden wie winkelaufgelöster fokaler Emissionsspektroskopie besteht darin, dass sie nicht nur über eine hohe Energieauflösung, sondern auch über eine hohe räumliche Auflösung verfügt. Mit dieser Methode lassen sich einige grundlegende Vorhersagen über das Verhalten relativistischer Ladungsträger als Reaktion auf eine Reihe von Störungen überprüfen, beispielsweise die Bildung atomarer Klasse-Resonanzen. Wenn die effektive Kernladung einer Ladungsstörstelle einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, haben in der Regel Personen, die neu in dieser Methode sind, Schwierigkeiten aufgrund der zahlreichen scheinbar trivialen, aber wichtigen Details, die in der einschlägigen Literatur fehlen.Außerdem kann die Interpretation der notwendigen Charakterisierungen kompliziert werden. Beispielsweise kann die Interpretation der Raman-Spektroskopie aufgrund der Anwesenheit von Defekten und Verunreinigungen durch Dopamine auf Graphen erschwert werden. Um die elektrochemische Politur einer Kupferfolie zu beginnen, um die bloße Kupferoberfläche für das Graphenwachstum freizulegen, wie im begleitenden Textprotokoll beschrieben, platzieren Sie das Quarzboot mit der elektrochemisch polierten Kupferfolie mithilfe einer langen Stange in das Quarzrohr.Schieben Sie das Boot in die Mitte des Ofens und verschließen Sie das System mit KF-Verschraubungen. Evakuieren Sie das System mit einer Vorpumpe und spülen Sie es anschließend mit Wasserstoffgas durch. Schließen Sie die Ofenhaube, erhöhen Sie die Temperatur auf 1050 Grad Celsius mit einem Wasserstoffdurchfluss von 200 Standardkubikzentimetern pro Minute und halten Sie die Temperatur dann zwei Stunden lang bei gleichbleibendem Gasfluss, um die Probe zu glühen.Kühlen Sie auf 1030 Grad Celsius mit dem gleichen Gasfluss ab. Anschließend wird Graphen 10 Minuten lang mit 40 SCCM Methan und 10 SCCM Wasserstoff gezüchtet. Sobald das Wachstum beendet ist, öffnen Sie die Ofenhaube, um die Probe bei gleichbleibendem Gasfluss rasch auf Raumtemperatur abzukühlen.Sobald die Temperatur unter 100 Grad Celsius fällt, schalten Sie den Gasfluss ab, schließen das Dosierventil und schalten die Pumpe aus. Entlüften Sie dann das System mit Stickstoffgas, indem Sie das Dosierventil zwischen der Gasleitung und der Gaspflasche langsam öffnen. Nehmen Sie die Probe heraus und schneiden Sie die Kupferfolie in Stücke mit den gewünschten Abmessungen. Führen Sie anschließend die mechanische Exfoliation von hexagonalem Bornitrid auf einem Siliziumdioxid-Chip wie im begleitenden Textprotokoll beschrieben durch. Geben Sie einen Tropfen PMMA auf die Graphen-Kupfer-Graphen-Folie und zentrifugieren Sie die Folie bei 3000 U/min für 30 Sekunden. Legen Sie die beschichtete Kupferfolie mithilfe eines eisen(III)-chloridresistenten Spatels in eine Lösung aus Eisen(III)-chlorid und lassen Sie sie eineinhalb Minuten lang schwimmen, anschließend überführen Sie sie in ein Bad aus ultrareinem Wasser für fünf Minuten.Überführen Sie die Folie anschließend erneut in die wässrige Eisen(III)-chlorid-Lösung für eine zusätzliche Minute und danach in ein frisches Becherglas mit ultrareinem Wasser für weitere fünf Minuten. Nach fünf Minuten überführen Sie die Folie erneut in die wässrige Eisen(III)-chlorid-Lösung für 15 Minuten und spülen anschließend den Film zweimal je fünf Minuten in einem frischen Becherglas mit ultrareinem Wasser aus, gefolgt von einer Spülung von 30 Minuten. In frischem ultrareinem Wasser fischen Sie die PMMA-Graphen-Probe mit dem hexagonalen Bornitrid-Siliziumdioxid-Chip heraus.Stellen Sie den Chip 10 Minuten lang auf eine Heizplatte bei 80 Grad Celsius, um Wasser zu entfernen, und erhöhen Sie anschließend die Temperatur 15 Minuten lang auf 180 Grad Celsius, um den PMMA-Film zu entspannen. Danach den Chip über Nacht in Chloromethan geben, um die PMA-Schicht aufzulösen.Wenn das PMMA gelöst ist, platzieren Sie die Probe in eine Mischung aus Argon- und Wasserstoffgas, verdampfen anschließend eine Gold-Titanium-Kontaktfläche auf die Probe und verbinden die abgeschiedene Gold-Titanium-Elektrode per Drahtbonden mit Masse sowie das Silizium-Substrat mit einer Gate-Elektrode am Probenhalter des Rastertunnelmikroskops. Für diese Schritte siehe begleitendes Textprotokoll. Sputtern Sie die Gold-1-1-1-Probe fünf Minuten lang mit einem Argon-Ionenstrahl, der auf 500 Volt beschleunigt wurde. Danach heizen Sie die Probe fünf Minuten lang auf der Heizstufe bei 375 Grad Celsius in einer ultrahochvakuumdichten Kammer, um die Goldoberfläche zu reinigen und zu glätten.Übertragen Sie die Goldprobe auf den Tisch des Rastertunnelmikroskops und nähern Sie sich der Oberfläche mit der Mikroskopt Spitze. Geben Sie 10-Volt-Impulse auf die STM-Spitze, bis eine Gold-1-1-1-Fischgrät-Rekonstruktion deutlich sichtbar ist. Anschließend scannen Sie die Gold-1-1-1-Oberfläche mit einem 40 Nanometer mal 40 Nanometer großen Bildausschnitt, um einen sauberen und flachen Bereich zu identifizieren.Wenn die Oberfläche eine hohe Dichte an Stufenkanten aufweist, wechseln Sie zu einem neuen Bereich für die Abbildung. Fahren Sie die Spitze vorsichtig 0,4 bis 1,0 Nanometer in einen sauberen Bereich der Gold-1-1-1-Oberfläche hinein. Schalten Sie dann die Rückkopplung aus und klicken Sie auf die Schaltfläche „Spektroskopie durchführen“.Um ein differentielles Leitfähigkeitsspektrum aufzunehmen, überprüfen Sie die erhaltene differentielle Leitfähigkeitskurve anhand eines Standard-Spektrums der differentiellen Leitfähigkeit von Gold 1 1 1. Stellen Sie sicher, dass der Oberflächenzustand von Gold 1 1 1 in der differentiellen Leitfähigkeitskurve vorhanden ist und das Spektrum frei von anomalen Merkmalen ist. Sobald die Spitzenform und das Spektrum der differentiellen Leitfähigkeit optimiert sind, warten Sie 15 bis 30 Minuten.Wenn die STM-Spitze instabil ist, ändert sich das Spektrum während dieses Zeitintervalls. Nehmen Sie das Spektrum an einer anderen Stelle erneut auf. Um zu überprüfen, ob die STM-Spitze stabil ist, bringen Sie das Graphenbauteil auf die Scanning-Stufe eines Rastertunnelmikroskops.Verwenden Sie ein optisches Mikroskop mit großer Arbeitsdistanz, um die STM-Spitze und die Graphen-Vorrichtung zu sehen. Nachdem die Spitze lateral mit dem interessierenden hexagonalen Bornitrid-Flake ausgerichtet wurde, nähern Sie sich der Probe. Beginnen Sie mit der Abbildung eines Bereichs von zwei Nanometern mal zwei Nanometern.Vergrößern Sie langsam das Scan-Fenster, und wenn eine große Verunreinigung auftritt, wechseln Sie in einen anderen Bereich. Nehmen Sie ein differentielles Leitfähigkeitsspektrum auf und vergleichen Sie es mit dem Standard-Spektrum auf einem Graphen-Hexagonal-Borstickstoff-Substrat. Falls das Spektrum nicht vergleichbar ist, kalibrieren Sie die Spitze erneut an einer Gold-1-1-1-Oberfläche und scannen Sie mehrere Bereiche ab, um eine Vorstellung davon zu erhalten, wie häufig große Verunreinigungen, die eine Höhe von über 100 TERs aufweisen, auftreten.Anhand dieser Statistiken lässt sich die Sauberkeit der Probe beurteilen, bevor die Probe in einer rückseitig geregelten Vorrichtung zusammengebaut wird. Die Graphenoberfläche wird mittels optischem Mikroskop, Raman-Spektroskopie und einer KFM charakterisiert. Eine gute Probe sollte unter dem optischen Mikroskop sowie in den KFM-Bildern sauber, zusammenhängend, homogen und einlagig erscheinen. Darüber hinaus sollte eine gute Probe eine minimale Intensität des D-Peaks aufweisen und ein Intensitätsverhältnis von G-Peak zu 2D-Peak von weniger als eins zu zwei aufweisen. Hier gezeigt ist ein Moiré-Muster für das Graphen-Hexagonal-Borstickstoff-Substrat, das durch eine Diskrepanz in den Gitterkonstanten von Graphen und hexagonalem Borstickstoff entsteht.Nach der Untersuchung der Probenoberfläche werden Calciumionen auf Graphen abgeschieden, dessen Topographie hier sichtbar ist. Während dieses Verfahrens ist es wichtig, beim Verdrahten Vorsicht walten zu lassen. Andernfalls beschädigen Sie die dielektrische Schicht, was zu Stromleckage führt und die Probe unbrauchbar macht. Nach dem Anschauen dieses Videos sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man ein gangabstimmbares Graphenbauteil für STM-Untersuchungen mit eingelagerten Verunreinigungen herstellt.Außerdem sollten Sie verstehen, wie man eine STM-Spitze kalibriert und den Oberflächenzustand des Geräts überprüft. Vergessen Sie nicht, dass das Arbeiten mit entflammbaren Gasen unter extrem heißen Bedingungen während des CVD-Prozesses sehr gefährlich sein kann, wenn keine ordnungsgemäße Vakuumabdichtung gewährleistet ist, und dass stets Vorsichtsmaßnahmen wie die Überwachung des Vakuumdrucks und die Untersuchung des Reaktionsrohrs während des Prozesses getroffen werden sollten.

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Forschung

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Ingenieurwesen

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