新規材料の低温磁気伝導測定のための高度な実験方法

この手順の全体的な目標は、興味深い電子特性を持つ単層薄膜材料の単結晶の電気的特性を測定することです。この方法は、異なる材料の単層が互いに積み重なって電子的にどのように相互作用するか、結果として生じるヘテロ構造の創発的な電子的振る舞いは何かなど、ナノエレクトロニクス分野の重要な質問に答えるのに役立ちます。この技術の主な利点は、輸送測定用の高品質で欠陥のない多層サンプルを生成することです。

この方法はグラフェンに関する洞察を提供しますが、遷移金属ダイカルコゲナイド、トポロジカル絶縁体、その他の層材料などの他のシステムにも適用できます。基質の調製は、テキストプロトコルでカバーされています。フレークは高品質のバルクサンプルである必要があります。

まず、サンプルフレークを剥離します。標準的なウェーハダイシングテープを1×3cm用意し、剥離紙を剥がして1角センチメートルの接着剤を露光します。スライド上のバルクサンプルに対して接着部分を押し付けます。

接着領域の大部分がサンプルで覆われていることを確認してください。次に、テープを別のピースの接着面に押し付けて、テープをはがします。ダイシングテープに貼られたサンプルフレークが透明になるまで、これを続けます。

次に、サンプルフレークの入ったテープを準備した基板に押し付けます。フレークを基材に付着させたまま、テープをはがします。顕微鏡で基板を検査します。

基板上にパターン化された位置マークを使用して、基板上の適切なフレークの位置に注意してください。原子間力顕微鏡を使用してフレークの厚さを測定します。厚さは100ナノメートル未満である必要があります。

オプションで、スパッタリングした二酸化ケイ素をサンプル上に堆積させて絶縁マトリックスを作成し、サンプルを基板に保持します。複数のフレークからなるヘテロ構造を作製するには、フレークのスタックを準備します。まず、テキストプロトコルで説明されているように、透明なPDMSとPPCのメカニカルスタンプを作成します。

次に、マイクロポジショナーを使用して、ヘテロ構造スタック内の層状材料の最初のフレークの上にスタンプを配置します。次に、Z軸を調整して、サンプルフレークにスタンプを押し下げます。このステップでは、忍耐力と精度、およびサンプルフレークと接触する際のPPC PDMSの色のわずかな変化に対する細心の注意が必要です。

次に、サンプルの下の抵抗ヒーターを使用して、サンプルを摂氏約40度に加熱します。これにより、PPCとサンプルの間の引力が増加します。2分間加熱した後、スタンプをゆっくりと持ち上げます。

サンプルフレークはPPCに添付する必要があります。次に、サンプルフレークが添付されたメカニカルスタンプを、スタックで使用する次の層状材料のフレークの上に配置します。位置合わせを注意深く観察し、取り付けられたフレークが次のフレークと接触するまで、スタンプをゆっくりと下げます。

次に、サンプルを軽く押します。次に、サンプルを再び摂氏40度に2分間加熱します。次に、スタンプをゆっくりと持ち上げると、次のサンプルフレークが付着し、スタックが形成されます。

目的のサイズのスタックが完了するまで、このプロセスを繰り返します。次に、最初にスタンプを新しい基板ピースにそっと押し付けて、ヘテロ構造スタックを新しい基板に移します。次に、スタンプと基板を摂氏100度に5分間加熱します。

摂氏100度で、スタックを基板に残してスタンプをゆっくりと持ち上げます。このプロトコルの最初のステップでは、20倍および100倍の倍率でサンプルの画像を使用して、電子ビームリソグラフィーの設計を準備します。その結果、6端子のホールバーデザインが実現しました。

次のステップは、PMMA でデザインをパターン化することです。まず、分子量950, 000のPMMAの層を4インチウェーハ上に5, 000RPMで2分間回転させます。次に、ウェーハを摂氏180度で2分間焼きます。

そして、使用する前にさらに数分間冷ましてください。次に、サンプルを電子ビームリソグラフィーシステムにロードします。そして、標準的なプロトコルに従って、PMMAコード化されたウェーハにパターンを印刷します。

次に、サンプルをホールバーメサにエッチングします。反応性イオンエッチングシステムを使用して、前にマスクされたパターンを使用して、サンプルをホールバーにエッチングします。エッチングが完了したら、PMMAをアセトンで除去し、イソプロパノールで洗い流した後、水で洗い流します。

電子ビームレジストマスクの調製には、金属接点の成膜用にPMMAを2回塗布します。分子量 495, 000 の PMMA を使用して最初のコートを作成し、分子量 950, 000 の 2 番目のコートを作成します。次に、前回と同様に電子ビームリソグラフィー装置を使用して、ウェーハ上に接触パターンを作成します。

最後のステップは、電子ビーム蒸発器を使用してクロム金金属をサンプル上に堆積させ、続いて金属リフトオフを行うことです。これらのプロセスについては、テキストプロトコルで詳細に説明されています。磁気輸送実験では、まず、作製したサンプルで電気輸送パッケージを調製します。

次に、パッケージをプローブの先端にしっかりと取り付けます。次に、すべての診断デバイスをプローブに接続します。温度制御チャンネルと電気測定チャンネルへの安全な接続。

次に、エアロックを通気してプローブチップを挿入し、clを使用して所定の位置にロックしますamp とOリング。次に、特定のプローブタイプに応じて輸送測定値を設定します。次に、真空ポンプを使用して、エアロック内の空気と水蒸気を必要なだけ排出します。

交換を閉じ、エアロックバルブを閉じます。次に、エアロックスペースと測定スペースを分離するバルブを開きます。次のステップは、必要な量のガスをプローブスペースに導入することです。

次に、必要に応じてミニソルブとメインソルブの温度を調整します。そして、プローブをゆっくりと測定スペースの中央に下げます。次に、プローブの種類に応じてシステムをほぼゼロケルビンに送ります。

温度が下がったら、温度、磁場、ゲート電圧などの範囲で輸送測定を開始します。ホールバーデバイスは、説明されているように、低温磁気輸送実験のために、六角形の窒化ホウ素上に積み重ねられたグラフェンでパターン化されました。この概略図は、ランダウ準位から生じるランダウアー・ビュティッカーエッチング状態を示しています。

これらのエッチング状態は、測定されたホール抵抗の値を計算するための輸送メカニズムを提供します。実験の周辺範囲には、デバイスを12テスラの磁場、ゼロポイント3ケルビンの低温、30ボルトのゲート電圧にさらすことが含まれていました。測定されたホール抵抗のプラトーは、ランダウレベルの充填に対応します。

量子ホール効果のモデル例です。6テスラでは、ホール抵抗と縦抵抗をバックゲート電圧の関数として調べ、グラフェンに対する量子ホール効果を説明しました。このビデオを見れば、サンプルの剥離、マイクロポジショナーと顕微鏡を使用したフレークスタッキング、高度なナノファブリケーションツールによる輸送測定のための高品質で欠陥のない多層サンプルを作成する方法を十分に理解できるはずです。

この手順を試みるときは、忍耐強く正確であることを忘れないことが重要です。開発後、これらの技術は、ナノエレクトロニクス分野の研究者がグラフェンおよびグラフェンバー窒化物ヘテロ構造におけるnuvo量子挙動を探求するための道を開くものです。