Metodi sperimentali avanzati per bassa temperatura magnetotrasporto Misura di nuovi materiali

L'obiettivo generale di questa procedura è quello di misurare le caratteristiche elettriche di singoli cristalli di materiali a film sottile monostrato con interessanti proprietà elettroniche. Questo metodo può aiutare a rispondere a domande chiave nel campo della nanoelettronica, come ad esempio come singoli strati di materiali diversi, impilati uno sopra l'altro, interagiscono elettronicamente e qual è il comportamento elettronico emergente dell'eterostruttura risultante. Il vantaggio principale di questa tecnica è che produce campioni multistrato di alta qualità, privi di difetti per la misurazione del trasporto.

Sebbene questo metodo possa fornire informazioni sul grafene, può essere applicato anche ad altri sistemi come dicalcogenuri di metalli di transizione, isolanti topologici e altri materiali per strati. La preparazione del substrato è trattata nel protocollo di testo. I fiocchi devono essere un campione sfuso di alta qualità.

Per iniziare, esfoliare i fiocchi di campione. Prepara pezzi di nastro adesivo standard per wafer uno per tre centimetri ed esponi un centimetro quadrato di adesivo staccando la carta protettiva. Premere la parte adesiva contro il campione sfuso sul vetrino.

Assicurarsi che la maggior parte dell'area adesiva sia coperta con il campione. Quindi, premere il nastro contro il lato adesivo di un altro pezzo e staccarli. Continua a farlo fino a quando i fiocchi di campione attaccati al nastro per cubetti non appaiono trasparenti.

Quindi, premere il nastro con le scaglie di campione contro un pezzo di substrato preparato. Staccare il nastro lasciando le scaglie aderenti al substrato. Ispezionare il substrato al microscopio.

Annotare la posizione di una scaglia adatta sul substrato utilizzando i segni di posizione modellati sul substrato. Procedere utilizzando un microscopio a forza atomica per misurare lo spessore delle scaglie. Dovrebbe avere uno spessore inferiore a 100 nanometri.

Facoltativamente, depositare il biossido di silicio spruzzato sul campione per creare una matrice isolante e per trattenere il campione sul substrato. Per produrre eterostrutture composte da più scaglie, preparare pile di scaglie. Innanzitutto, crea un timbro meccanico PDMS e PPC trasparente come descritto nel protocollo di testo.

Successivamente, utilizzando un microposizionatore, posizionare il timbro sulla prima scaglia di materiale stratificato nella pila di eterostruttura. Quindi, regolare l'asse Z per premere il timbro verso il basso sul fiocco del campione. Questo passaggio richiede pazienza, precisione e un'attenta attenzione ai piccoli cambiamenti di colore del PPC PDMS quando viene a contatto con le scaglie del campione.

Quindi, riscaldare il campione a circa 40 gradi Celsius utilizzando un riscaldatore a resistenza sotto il campione. Ciò aumenta l'attrazione tra il PPC e il campione. Dopo aver riscaldato per due minuti, sollevare lentamente il timbro.

Il fiocco del campione deve essere attaccato al PPC. A questo punto, posizionare il timbro meccanico con la scaglia di campione attaccata sulla scaglia successiva di materiale stratificato da utilizzare nella pila. Osserva attentamente l'allineamento e abbassa lentamente il timbro fino a quando la scaglia attaccata non entra in contatto con la scaglia successiva.

Quindi, premere leggermente il campione. Quindi, riscaldare nuovamente il campione a 40 gradi Celsius per due minuti. Quindi, solleva lentamente il timbro verso l'alto e il prossimo sample fiocco dovrebbe essere attaccato, formando una pila.

Ripetere questo processo fino a completare la pila della dimensione desiderata. Ora, trasferire la pila di eterostrutture su un nuovo substrato premendo prima delicatamente il timbro sul nuovo pezzo di substrato. Quindi, riscalda il timbro e il substrato a 100 gradi Celsius per cinque minuti.

Mentre sei ancora a 100 gradi Celsius, solleva lentamente il timbro lasciando la pila sul substrato. La prima fase di questo protocollo prevede l'utilizzo di immagini del campione con ingrandimento 20 X e 100 X per preparare un progetto per la litografia a fascio di elettroni. Il risultato è un design del bar Hall a sei terminali.

Il passo successivo è quello di modellare il disegno in PMMA. Innanzitutto, fai girare uno strato di PMMA con il peso molecolare di 950.000 su un wafer da quattro pollici a 5.000 giri/min per due minuti. Quindi, infornate la cialda a 180 gradi Celsius per due minuti.

E lascialo raffreddare ancora per qualche minuto prima di usarlo. Ora, caricare il campione sul sistema di litografia a fascio di elettroni. E, seguendo i protocolli standard, stampare il modello sul wafer con codifica PMMA.

Quindi, incidi il campione in una mesa del bar Hall. Utilizzare un sistema di incisione ionica reattiva per incidere il campione in una barra Hall, utilizzando il modello mascherato precedente. Una volta completata l'incisione, rimuovere il PMMA con acetone, quindi risciacquare con isopropanolo e poi con acqua.

Per preparare la maschera e-beam resist, per la deposizione di contatti metallici, utilizzare due mani di PMMA. Realizzare la prima mano utilizzando PMMA con un peso molecolare di 495.000 e la seconda mano con un peso molecolare di 950.000. Quindi, utilizzare il sistema di litografia a fascio di elettroni come prima per creare uno schema di contatto sul wafer.

Le fasi finali consistono nel depositare il cromo oro metallico sul campione utilizzando un evaporatore a fascio di elettroni seguito da un sollevamento del metallo. Questi processi sono descritti in dettaglio nel protocollo di testo. Per l'esperimento di magnetotrasporto, preparare prima un pacchetto di trasporto elettrico con un campione fabbricato.

Quindi, fissare saldamente la confezione alla punta della sonda. Quindi, collegare tutti i dispositivi diagnostici alla sonda. Collegamenti sicuri al canale di controllo della temperatura e ai canali di misurazione elettrica.

Ora, sfiatare la camera di compensazione e inserire la punta della sonda e bloccarla in posizione utilizzando un morsetto e un o-ring. Quindi, impostare le misure di trasporto in base al tipo di sonda specifico. Quindi, pompare l'aria e il vapore acqueo nella camera di compensazione per tutto il tempo necessario utilizzando una pompa a vuoto.

Chiudere lo scambio e chiudere le valvole della camera di compensazione. Ora, aprire le valvole che separano lo spazio della camera di compensazione dallo spazio di misurazione. Il passo successivo consiste nell'introdurre il volume di gas richiesto nello spazio della sonda.

Ora, regola le temperature del mini sorb e del sorb principale secondo necessità. E abbassare lentamente la sonda al centro dello spazio di misurazione. Quindi, inviare il sistema a Kelvin vicino allo zero in base al tipo di sonda.

Una volta che la temperatura è scesa, inizia a prendere le misure di trasporto a un intervallo di temperature, campi magnetici, tensioni di gate e così via. Un dispositivo a barra Hall è stato modellato in grafene impilato su nitruro di boro esagonale per un esperimento di magnetotrasporto a bassa temperatura, come descritto. Questo schema mostra gli stati di incisione di Landauer-Butikker che derivano dai livelli di Landau.

Questi stati di incisione forniscono un meccanismo di trasporto per calcolare i valori delle resistenze Hall misurate. I perimetri sperimentali includevano l'esposizione del dispositivo a campi magnetici fino a 12 Tesla, temperature fino a zero virgola tre Kelvin e tensioni di gate fino a 30 volt. I plateau della resistenza Hall misurata corrispondono al riempimento a livello di Landau.

Questo è un esempio di modello dell'effetto Hall quantistico. A sei Tesla, la resistenza Hall e la resistenza longitudinale sono state esaminate in funzione della tensione del cancello posteriore per descrivere l'effetto Hall quantistico sul grafene. Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come produrre campioni multistrato di alta qualità, privi di difetti per la misurazione del trasporto tramite esfoliazione del campione, impilamento di scaglie utilizzando un microposizionatore e un microscopio e strumenti avanzati di nanofabbricazione.

Durante il tentativo di questa procedura, è importante ricordare di essere pazienti e precisi. Dopo il suo sviluppo, queste tecniche aprono la strada ai ricercatori nel campo della nanoelettronica per esplorare i comportamenti quantistici nuvo nelle eterostrutture di grafene e nitruro a barre di grafene.