Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Wytwarzanie urządzeń grafenowych z funkcją gate-tunable do badań skaningowej mikroskopii tunelowej z zanieczyszczeniami kulombowskimi

15K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/52711

⸱

24 lipca 2015

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Physics, University of California at Berkeley, 2Department of Chemistry, University of California at Berkeley, 3Department of Chemical and Biomolecular Engineering, University of California at Berkeley, 4National Institute for Materials Science (Japan), 5Materials Sciences Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, 6Kavli Energy NanoSciences Institute, University of California at Berkeley and Lawrence Berkeley National Laboratory

W tym artykule

Podsumowanie

Ten artykuł szczegółowo opisuje proces produkcji urządzenia grafenowego z możliwością przestrajania bramki, ozdobionego zanieczyszczeniami kulombowskimi do skanowania badań mikroskopią tunelową. Mapowanie przestrzennie zależnej struktury elektronowej grafenu w obecności naładowanych zanieczyszczeń ujawnia unikalne zachowanie jego relatywistycznych nośników ładunku w odpowiedzi na lokalny potencjał kulombowski.

Streszczenie

Dzięki relatywistycznym niskoenergetycznym nośnikom ładunków, interakcja między grafenem a różnymi zanieczyszczeniami prowadzi do bogactwa nowych fizyk i stopni swobody w sterowaniu urządzeniami elektronicznymi. W szczególności przewiduje się, że zachowanie nośników ładunku grafenu w odpowiedzi na potencjały z naładowanych zanieczyszczeń kulombowskich będzie się znacznie różnić od zachowania większości materiałów. Skaningowa mikroskopia tunelowa (STM) i skaningowa spektroskopia tunelowa (STS) mogą dostarczyć szczegółowych informacji zarówno na temat przestrzennej, jak i energetycznej zależności struktury elektronowej grafenu w obecności naładowanego zanieczyszczenia. Projekt hybrydowego urządzenia do usuwania zanieczyszczeń i grafenu, wytwarzanego przy użyciu kontrolowanego osadzania zanieczyszczeń na tylnie bramkowanej powierzchni grafenu, umożliwił kilka nowatorskich metod kontrolowanego dostrajania właściwości elektronicznych grafenu. 1-8 Bramkowanie elektrostatyczne umożliwia kontrolę gęstości nośnika ładunku w grafenie oraz możliwość odwracalnego dostrojenia stanu ładunku2 i/lub molekularnego5 zanieczyszczenia. W artykule przedstawiono proces wytwarzania urządzenia grafenowego z możliwością przestrajania bramki, ozdobionego pojedynczymi zanieczyszczeniami kulombowskimi do połączonych badań STM/STS. 2-5 Badania te dostarczają cennych informacji na temat fizyki leżącej u podstaw tego zjawiska, a także drogowskazów do projektowania hybrydowych urządzeń grafenowych.

Wprowadzenie

Grafen jest dwuwymiarowym materiałem o unikalnej liniowej strukturze pasmowej, co stanowi o jego wyjątkowych właściwościach elektrycznych, optycznych i mechanicznych. 1,9-16 Jego niskoenergetyczne nośniki ładunku są opisywane jako relatywistyczne, bezmasowe fermiony Diraca15, których zachowanie różni się znacznie od zachowania nierelatywistycznych nośników ładunku w tradycyjnych układach. 15-18 Kontrolowane osadzanie różnych zanieczyszczeń na grafenie stanowi prostą, ale wszechstronną platformę do eksperymentalnych badań odpowiedzi tych relatywistycznych nośników ładunku na szereg zakłóceń. Badania takich układów ujawniają, że zanieczyszczenia grafenem mogą przesuwać potencjał chemiczny6,7, zmieniać efektywną stałą dielektryczną8 i potencjalnie prowadzić do nadprzewodnictwa za pośrednictwem elektronicznie9. Wiele z tych badań6-8 wykorzystuje bramkowanie elektrostatyczne jako środek do dostrajania właściwości hybrydowego urządzenia do usuwania zanieczyszczeń i grafenu. Bramkowanie elektrostatyczne może przesunąć strukturę elektronową materiału w stosunku do jego poziomu Fermiego bez histerezy. 2-5 Co więcej, poprzez dostrojenie stanów ładunku2 lub molekularnego5 takich zanieczyszczeń, bramkowanie elektrostatyczne może odwracalnie modyfikować właściwości hybrydowego urządzenia do zanieczyszczenia grafenu.

Bramkowanie wsteczne urządzenia grafenowego stanowi idealny system do badań za pomocą skaningowej mikroskopii tunelowej (STM). Skaningowy mikroskop tunelowy składa się z ostrej metalowej końcówki trzymanej w odległości kilku angstremów od powierzchni przewodzącej. Stosując odchylenie między końcówką a powierzchnią, elektrony tunelują między nimi. W najpopularniejszym trybie, trybie prądu stałego, można odwzorować topografię powierzchni próbki poprzez skanowanie rastrowe końcówki tam iz powrotem. Dodatkowo lokalną strukturę elektronową próbki można badać, badając widmo przewodnictwa różnicowego dI/dV, które jest proporcjonalne do lokalnej gęstości stanów (LDOS). Pomiar ten jest często nazywany skaningową spektroskopią tunelową (STS). Poprzez oddzielne kontrolowanie napięcia polaryzacji i bramki zwrotnej, można badać reakcję grafenu na zanieczyszczenia, analizując zachowanie tych widm dI/dV. 2-5

W tym raporcie, przedstawiono produkcję urządzenia grafenowego z bramką wsteczną, ozdobionego zanieczyszczeniami kulombowskimi (np. naładowanymi atomami Ca). Urządzenie składa się z elementów w następującej kolejności (od góry do dołu): adatomy i klastry wapnia, grafen, sześciokątny azotek boru (h-BN), dwutlenek krzemu (SiO2) i krzem w dużej ilości (rysunek 1). h-BN to cienka warstwa izolacyjna, która zapewnia atomowo płaskie i elektrycznie jednorodne podłoże dla grafenu. 19-21 h-BN i SiO2 działają jako dielektryki, a masowe Si służy jako tylna brama.

Aby wyprodukować urządzenie, grafen jest najpierw hodowany na elektrochemicznie polerowanej folii Cu22,23, która działa jak czysta powierzchnia katalityczna dla chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD)22-25 grafenu. We wzroście CVD gazy prekursorowe metanu (CH4) i wodoru (H2) ulegają pirolizie, tworząc domeny kryształów grafenu na folii Cu. Domeny te rosną i ostatecznie łączą się ze sobą, tworząc arkusz grafenu polikrystalicznego. 25 Otrzymany grafen przenosi się na podłoże docelowe, układ h-BN/SiO2 (przygotowany przez mechaniczną eksfoliację19-21 h-BN na chip SiO2/Si(100)) poprzez transfer poli(metakrylanu metylu) (PMMA). 26-28 W transferze PMMA grafen na Cu jest najpierw powlekany spinowo warstwą PMMA. Próbka PMMA/grafenu/Cu unosi się następnie na roztworze wytrawiacza (np. FeCl3 (aq)28), który wytrawia Cu. Nieprzereagowaną próbkę PMMA/grafenu poławia się za pomocą chipa h-BN/SiO2 , a następnie oczyszcza w rozpuszczalniku organicznym (np. CH2Cl2) i środowisku Ar/H2 29,30 w celu usunięcia warstwy PMMA. Otrzymana próbka grafenu/h-BN/SiO2/Si jest następnie łączona drutem ze stykami elektrycznymi na płytce próbki o ultrawysokiej próżni (UHV) i wyżarzana w komorze UHV. Na koniec urządzenie grafenowe jest osadzane in situ z zanieczyszczeniami kulombowskimi (np. naładowanymi atomami Ca) i badane przez STM. 2-5

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

1. Elektrochemiczne polerowanie folii Cu22,23

Uwaga: Polerowanie elektrochemiczne odsłania gołą powierzchnię Cu pod wzrost grafenu poprzez usunięcie powłoki ochronnej powierzchni i kontrolę gęstości nasion wzrostu.

  1. Przygotuj elektrochemiczny roztwór do polerowania, mieszając 100 ml ultraczystej wody, 50 ml etanolu, 50 ml kwasu fosforowego, 10 ml izopropanolu i 1 g mocznika.
  2. Pokrój folię Cu na wiele folii o wymiarach 3 cm na 3 cm. Uwaga: Każda folia służy jako anoda lub katoda.
  3. Ustaw anodę/katodę, przypinając folię Cu pionowo za pomocą uchwytu i podłączając ją do odpowiedniego zacisku zasilacza.
    Uwaga: Anoda (biegun dodatni) zostanie elektrochemicznie wypolerowana w celu wzrostu grafenu.
  4. Przed rozpoczęciem polerowania należy ustawić stałe napięcie 4,8 V w zasilaczu.
  5. Włącz zasilanie, gdy tylko anoda i katoda zostaną jednocześnie zanurzone w elektrochemicznym roztworze do polerowania. Oddziel elektrody na około 2 cm. Sprawdź, czy uzyskany prąd mieści się w przedziale 1-2 A.
  6. Przerwij polerowanie elektrochemiczne po 2 minutach, wyłączając zasilanie. Wyjmij anodę i natychmiast przepłucz ją oddzielnie ultraczystą wodą, acetonem i izopropanolem.
  7. Wysuszyć wypłukaną folię Cu z gazemN2 i przechowywać w suchym pojemniku.

2. Chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD) grafenu na folii Cu22-25

  1. Umieść rurkę kwarcową w piecu CVD i podłącz rurkę do reszty przewodu gazowego za pomocą złączek KF.
  2. Umieść elektrochemicznie wypolerowaną folię Cu na wierzchu łodzi kwarcowej. Za pomocą długiego pręta wepchnij łódkę kwarcową do rurki kwarcowej, aż folia Cu zostanie umieszczona na środku pieca CVD. Dołącz system za pomocą złączek KF.
  3. Przepompuj system za pomocą pompy do obróbki zgrubnej. Oczyść system za pomocą H2.
  4. Zwiększyć temperaturę do 1 050 °C za pomocą 200 sccm H2. Wyżarzanie w temperaturze 1 050 °C przy tym samym przepływie gazu przez 2 godz.
    Uwaga: Temperatura jest mierzona za pomocą wbudowanej termopary typu K w piecu rurowym.
  5. Schłodzić do temperatury 1 030 °C przy tym samym przepływie gazu. Hoduj grafen przez 10 minut z 40 sccm CH4 i 10 sccm H2.
  6. Jak tylko wzrost się skończy, otwórz okap pieca, aby szybko ostygł do RT. Utrzymuj ten sam przepływ gazu.
  7. Gdy temperatura spadnie poniżej 100 °C, wyłącz dopływ gazu.
  8. Wyłącz pompę. Odpowietrzyć układ gazemN2, powoli otwierając zawór dozujący między przewodem gazowym a butlą z gazemN2.
  9. Pobrać próbkę. Pokrój folię Cu na kawałki o pożądanych wymiarach.
  10. Przechowywać próbkę w suchym pojemniku wewnątrz eksykatora.

3. Mechaniczne złuszczanie19-21 h-BN na chipie SiO2

  1. Wyczyść układ SiO2. Uwaga: Układ SiO2 składa się z warstwy SiO2 o grubości około 285 nm na wierzchu masywnego SiO 2.
    1. Pokrój wafel SiO2 na wióry o wymiarach około 1 cm na 1 cm za pomocą rysika diamentowego.
    2. Wypłucz chip SiO2 wodą i izopropanolem. Utrzymuj powierzchnię SiO2 pokrytą wodą/izopropanolem po każdym płukaniu.
    3. Umieść chip SiO2 na powlekarce wirowej, aby usunąć płyn z jego powierzchni. Obracaj chipem z prędkością 3 000 obr./min przez 15 sekund.
    4. Sprawdź czystość chipa pod mikroskopem optycznym z ustawieniem ciemnego pola. Uwaga: W ciemnym polu zanieczyszczenia stałe pojawiają się jako jasne cząstki.
  2. Umieść czysty chip SiO2, taśmę złuszczającą i kryształ h-BN na czystym stole z mikroskopem optycznym.
  3. Przygotuj dwa paski taśmy: taśmę macierzystą i drugą taśmę. Połóż oba na stole lepkimi stronami do góry. Umieść kryształ h-BN po lepkiej stronie taśmy macierzystej.
  4. Umieść lepką stronę drugiej taśmy na kryszcie h-BN na taśmie macierzystej (tak, aby lepkie boki drugiej taśmy i taśmy macierzystej stykały się). Delikatnie przetrzyj kryształ, aby usunąć uwięzione pęcherzyki powietrza.
  5. Odklej drugą taśmę, aby złuszczyć kryształ h-BN na drugą taśmę. Taśmę nadrzędną należy przechowywać do wykorzystania w przyszłości.
  6. Złóż drugą taśmę na siebie, delikatnie przetrzyj kryształ i odklej taśmę. Powtórz ten proces 10 razy, składając drugą taśmę tak, aby kryształy h-BN były za każdym razem przenoszone do nowego obszaru drugiej taśmy.
  7. Umieść czysty chip SiO2 pod mikroskopem. Przyklej obszar drugiej taśmy zawierającej kryształ h-BN do układu SiO2. Upewnij się, że taśma przykleja się również do statywu mikroskopu w celu zabezpieczenia wióra podczas nadchodzącego etapu złuszczania.
  8. Powoli odklej taśmę, monitorując proces pod mikroskopem. Ponieważ taśma jest prawie odklejona, użyj pęsety, aby przytrzymać chip SiO2 na miejscu. Uwaga: Zbyt szybkie obieranie spowoduje, że na chipsie będzie mniej płatków h-BN.
  9. Po odklejeniu taśmy umieść wiór w piecu CVD. Wyżarzać wiór w powietrzu w temperaturze 500 °C przez 2 godziny.

4. Poli(metakrylan metylu) (PMMA)26-28 Przeniesienie grafenu na h-BN/SiO2

  1. Nałóż jedną kroplę PMMA (A4) na folię grafenową/Cu/grafenową. Powlekaj folię z prędkością 3 000 obr./min w 30 sekund. Uwaga: Ponieważ FeCl3 (aq) wytrawia warstwę Cu podczas nadchodzącego etapu trawienia, grafen z tyłu odpadnie, podczas gdy warstwa PMMA/grafen pozostanie nieprzereagowana (rysunek 2).
  2. Używając łyżki odpornej na FeCl3, pozwól powlekanej wirowo folii Cu unosić się na następujących roztworach w następującej kolejności: 1,5 minuty na FeCl3 (woda), 5 min na wodzie ultraczystej, 1 min na FeCl3 (woda), 5 minut na wodzie ultraczystej, 15 minut na FeCl3 (woda), 5 minut na wodzie ultraczystej, 5 min na wodzie ultraczystej, i 30 minut na ultra czystej wodzie. Przygotuj każdą ultraczystą kąpiel wodną w osobnej zlewce.
  3. Nałowić próbkę PMMA/grafenu za pomocą chipa h-BN/SiO2. Umieść go na płycie grzejnej w temperaturze 80 °C na 10 minut, aby usunąć wodę i w temperaturze 180 °C na 15 minut, aby rozluźnić folię27 PMMA.
  4. Umieść chip PMMA/grafen/h-BN/SiO2 w CH2Cl2 O/N, aby rozpuścić warstwę PMMA.

5. Ar/H2 Wyżarzanie29,30

  1. Umieść rurkę kwarcową na piecu CVD i połącz rurkę z resztą przewodu gazowego za pomocą złączek KF.
  2. Umieść chip grafen/BN/SiO2 na kwarcowej łodzi. Za pomocą długiego pręta wepchnij kwarcową łódkę do rurki kwarcowej, aż wiór zostanie umieszczony na środku pieca CVD. Dołącz system za pomocą złączek KF.
  3. Przepompuj system za pomocą pompy do obróbki zgrubnej. Oczyść system za pomocą H2 i Ar.
  4. Zwiększ ciśnienie do 1 atm za pomocą 100 sccm H2 i 200 sccm Ar za pomocą zaworu dozującego. Gdy ciśnienie osiągnie 1 atm, wyreguluj rozmiar otworu zaworu dozującego, aby ustabilizować ciśnienie na poziomie 1 atm.
  5. Zwiększ temperaturę do 350 °C i wyżarzaj przez 5 godzin przy tym samym przepływie gazu.
  6. Schłodzić do RT przy tym samym przepływie gazu.
  7. Gdy temperatura spadnie poniżej 100 °C, wyłącz dopływ gazu. Zamknij wszystkie zawory.
  8. Wyłącz pompę. Odpowietrzyć układ gazemN2, powoli otwierając zawór dozujący między przewodem gazowym a butlą z gazemN2.
  9. Pobrać próbkę. Sprawdź liczbę warstw grafenu i poziom defektu za pomocą spektroskopii Ramana32. Sprawdź jego czystość/jednorodność pod mikroskopem optycznym. Skanuj wiele obszarów, które wydają się czyste pod mikroskopem optycznym za pomocą mikroskopu sił atomowych (AFM), aby upewnić się, że próbka wydaje się czysta/jednolita również w małej skali długości (<500 nm).
  10. Przechowywać w suchym pojemniku wewnątrz eksykatora.

6. Montaż urządzenia grafenowego z możliwością przestrajania bramki do pomiaru STM2-5

  1. Odparować podkładkę kontaktową Au/Ti o wymiarach 50 μm na 50 μm na próbkę grafenu CVD/h-BN/SiO2 z wyżarzoną metodą Ar/H.
    1. Przyklej próbkę do stolika na mikromanipulatorze.
    2. Podczas monitorowania za pomocą mikroskopu optycznego wyrównaj maskę szablonu z grafenem za pomocą mikromanipulatora tak, aby styk Au/Ti został osadzony w pobliżu obszaru zainteresowania bez zakrywania powierzchni.
    3. Przenieść próbkę z maską szablonową do parownika wiązki elektronicznej. Odparować 10 nm Ti przy 3 Μ/sek. Przykryj warstwę Ti poprzez odparowanie 30-50 nm Au z prędkością 3 A/s w tej samej sesji parowania bez przerywania próżni. Uwaga: Alternatywnie, 1 nm Cr jest dobrym substytutem 10 nm Ti.
    4. Przenieś próbkę z maską szablonową z powrotem do mikromanipulatora w celu usunięcia stolika.
  2. Zamontuj próbkę na płytce do pobierania próbek w ultrawysokiej próżni (UHV).
    1. Umieść cienki kawałek szafiru na płytce próbki UHV. Uwaga: Szafir działa jak warstwa izolacyjna, która zapobiega kontaktowi elektrycznemu między uziemieniem Si i STM. Ponadto szafir jest doskonałym przewodnikiem ciepła do wyżarzania próbek.
    2. Umieść próbkę na szafirze. Umieść kolejny cienki kawałek szafiru na próbce. Upewnij się, że szafir nie zakrywa powierzchni grafenu.
    3. Zabezpiecz strukturę szafiru/próbki/szafiru za pomocą metalowego zacisku. Upewnij się, że cała konstrukcja jest sztywna, w przeciwnym razie będzie wibrować wewnątrz STM.
  3. Podłącz przewodowo zaciski płytki próbki UHV do odpowiednich styków urządzenia grafenowego. Uwaga: Zdeponowane elektrody Au/Ti są połączone drutem z masą, podczas gdy masa Si jest połączona drutem z elektrodą bramki (ilustracja 1).
    1. Umieść zamontowaną próbkę na uziemionym stopniu do łączenia przewodów.
    2. Zidentyfikuj lokalizacje styków Au/Ti za pomocą mikroskopu optycznego.
    3. Włącz łącznik drutowy. Jeśli łącznik drutowy jest pneumatyczny, włącz gaz N2. Ustaw łącznik drutowy tak, aby wykonał dwa połączenia.
    4. Za pomocą ramienia do łączenia przewodów umieść końcówkę łącznika drutowego na odpowiednim zacisku na płytce próbki UHV. Przesuń w dół i delikatnie dociśnij końcówkę spawarki drutowej do zacisku, aż spawarka drutowa wskaże, że wiązanie zostało zakończone.
    5. Nawlecz przewód do styku Au/Ti na urządzeniu grafenowym. Przesuń się w dół i delikatnie dociśnij końcówkę łącznika drutowego do styku Au/Ti, aż łącznik drutowy wskaże, że wiązanie zostało zakończone.
    6. Użyj rysika diamentowego, aby zdrapać trochę SiO2 na krawędzi chipa SiO2, aby odsłonić Si, który będzie używany jako tylna brama. Powtórz proces podwójnego wiązania dla odsłoniętego Si.
    7. Umieścić próbkę w komorze przygotowawczej UHV (10-10 Torr) i wyżarzyć urządzenie grafenowe połączone drutem w temperaturze około 300 °C. Przenieść urządzenie do komory STM.
      Uwaga: Urządzenie grafenowe powinno być wyżarzane do momentu, gdy jego powierzchnia będzie wydawała się czysta w STM (patrz sekcja 8 Protokołu). Czas wyżarzania będzie się różnił w zależności od początkowej czystości urządzenia.

7. Kalibracja końcówki STM na powierzchni Au(111)31

  1. Wyżarzanie/napylanie próbki Au (111) na stopniu grzałki w komorze UHV w celu oczyszczenia/spłaszczenia powierzchni Au. Wyżarzanie przez 5 minut w temperaturze 375 °C i rozpylanie przez 5 minut z wiązką Ar+ przyspieszoną do 500 V. Przenieść próbkę Au(111) do etapu skanowania STM.
  2. Zbliż się do powierzchni Au(111) z końcówką STM. Przykładać impulsy 10 V na końcówkę STM, aż rekonstrukcja w jodełkę Au(111) będzie wyraźnie widoczna.
  3. Skalibruj końcówkę, dostosowując kształt końcówki i porównując widmo przewodności różnicowej dI/dV ze standardowym widmem Au(111) dI/dV. Rozdział 31
    1. Zeskanuj powierzchnię Au(111) za pomocą ramki 40 nm na 40 nm, aby zidentyfikować czysty/płaski obszar. Jeśli powierzchnia ma dużą gęstość krawędzi stopni, przejdź do nowego obszaru do skanowania.
    2. Delikatnie uderz końcówkę STM od 0,4 do 1,0 nm w czysty obszar powierzchni Au(111); to kontrolowane zderzenie jest określane jako "szturchanie". Wyłącz sprzężenie zwrotne i kliknij przycisk "Weź spektroskopię", aby pobrać widmo dI/dV poprzez zablokowanie na aktualnej odpowiedzi modulowanego napięciem prądu przemiennego (6 mV i 613,7 Hz) dodanym do polaryzacji końcówki.
      Uwaga: Po podaniu napięcia modulowanego prądem przemiennym (6 mV i 613,7 Hz) na końcówce, powstały prąd tunelowy trafia do wzmacniacza lock-in, który izoluje składową prądu o tej samej częstotliwości i zwraca sygnał dI/dV. Rejestrując ten sygnał, gdy polaryzacja próbki jest przemiatana od -1,0 do 1,0 V, generowane jest widmo dI/dV. Ponieważ ten program do spektroskopii jest napisany w domu, instrukcja wykonywania spektroskopii będzie się różnić w zależności od programu.
    3. Sprawdź uzyskaną krzywą dI/dV w stosunku do standardowego widma Au(111) dI/dV (ilustracja 4). Upewnij się, że stan powierzchni Au(111) jest obecny na krzywej dI/dV i że widmo jest nieobecne w jakiejkolwiek anomalnej funkcji. Jeśli zmierzona krzywa dI/dV nie jest akceptowalna, powtórz szturchanie w kroku 7.3.2, aż krzywa dI/dV będzie wyglądać jak pokazana na rysunku 4.
    4. Po zoptymalizowaniu kształtu końcówki i widma dI/dV odczekaj od 15 do 30 minut; jeśli końcówka STM jest niestabilna, widmo dI/dV zmieni się w tym przedziale czasu. Ponownie zmierz widmo dI/dV w innym miejscu, aby potwierdzić, czy końcówka STM jest stabilna, czy nie.
    5. Powtórz szturchanie w kroku 7.3.2, jeśli zmieniła się krzywa dI/dV. Kontynuuj skanowanie grafenu, jeśli krzywa dI/dV nie uległa zmianie.

8. Skanowanie grafenu

  1. Przenieś urządzenie grafenowe do etapu skanowania STM.
  2. Użyj mikroskopu optycznego dalekiego zasięgu, aby zobaczyć końcówkę STM i urządzenie grafenowe. Po bocznym wyrównaniu końcówki i płatka h-BN będącego przedmiotem zainteresowania, zbliż się do grafenu.
  3. Rozpocznij skanowanie obszaru o wymiarach 2 nm na 2 nm. Powoli powiększaj okno skanowania do 5 nm o 5 nm, 10 nm, o 10 nm, 15 nm o 15 nm, 20 nm o 20 nm itd. W przypadku napotkania dużego zanieczyszczenia (>100 pm wysokości) wycofaj końcówkę i przenieś się w inne miejsce.
  4. Weź widmo dI/dV i porównaj ze standardowym widmem dI/dV na podłożu grafenowym/h-BN (patrz Ref. 21). Jeśli widmo nie jest porównywalne, należy ponownie skalibrować końcówkę na powierzchni Au(111) (patrz sekcja 7 protokołu).
  5. Skanuj wiele obszarów, aby zorientować się, jak często napotykane są duże zanieczyszczenia (>100 pm wysokości). Na podstawie tych statystyk wydedukuj czystość próbki.

9. Osadzanie zanieczyszczeń kulombowskich na powierzchni grafenu2-4

  1. Uzyskaj źródło CA. Skalibruj parowanie atomów Ca za pomocą analizatora gazów resztkowych (RGA) i mikrowagi kwarcowej (QCM) w komorze testowej UHV. Uwaga: RGA ocenia czystość złoża Ca, podczas gdy QCM mierzy szybkość osadzania Ca.
    1. Przeprowadź prąd przez źródło Ca.
    2. Zwiększaj prąd, aż w widmie masowym RGA zostanie wykryte ciśnienie parcjalne Ca wynoszące 10-10 Torr. Należy pamiętać o tym, że Ca i Ar mają tę samą masę i dlatego są nie do odróżnienia w RGA.
    3. Zmierzyć szybkość osadzania Ca (warstwa/s) za pomocą QCM.
      1. Wprowadź gęstość (np. 1,55 g/cm3 dla jonu Ca) złoża, aby przeliczyć wartość przesunięcia częstotliwości na szybkość osadzania.
      2. Monitor szybkości stapiania dla QCM odczytuje szybkość stapiania w /s; przelicz ją na warstwę/s, zakładając, że grubość monowarstwy jest równa średnicy jonowej (np. 0,228 A dla jonu Ca) osadu.
    4. Określ optymalny prąd, dostosowując prąd, aż monitor szybkości stapiania wskaże żądaną szybkość stapiania (np. 3,33 x 10-5 warstw/s).
  2. Biorąc pod uwagę szybkość stapiania (np. 3,33 x 10-5 warstw/s) w kroku 9.1.3, oblicz czas (s) na nałożenie żądanej ilości (np. 0,01 monowarstwy) Ca. W STM osadzać Ca na powierzchni Cu(100) in situ z optymalnym ustawieniem prądu z kroku 9.1.3. Sprawdzić pokrycie Ca i czystość powierzchni Cu(100) po osadzeniu za pomocą STM (patrz krok 8.5); ponownie skalibruj bieżące ustawienie, aż stan powierzchni Cu(100) w obszarze STM pojawi się zgodnie z oczekiwaniami.
    Uwaga: Parametry osadzania są najpierw optymalizowane na Cu(100), aby zminimalizować ryzyko zanieczyszczenia urządzenia grafenowego słabo kontrolowanym osadzaniem.
  3. Przenieść urządzenie grafenowe do STM w celu osadzania in situ w temperaturze 4 K.
  4. Osadzanie naładowanych atomów Ca na powierzchni grafenu.
    1. Przed osadzeniem Ca na grafenie należy odgazować źródło Ca. Powoli zwiększaj prąd na źródle o 0.25 A co 5-10 minut, aż zostanie osiągnięty żądany prąd w kroku 9.2. Zamknij przesłonę między grafenem a źródłem Ca, aby zapobiec przedostawaniu się odgazowanych zanieczyszczeń do grafenu.
    2. Pozwól, aby strumień parowania ustabilizował się przez 20 minut przed otwarciem migawki.
    3. Otwórz przesłonę i nałóż pożądaną (np. 0,01 monowarstwy) ilość jonów Ca na powierzchnię grafenu. Upewnij się, że urządzenie grafenowe znajduje się w linii wzroku ze źródłem Ca. Upewnij się, że końcówka STM znajduje się poza zasięgiem wzroku źródła Ca, aby zapobiec przyklejaniu się atomów Ca do końcówki STM.
  5. Sprawdź pokrycie Ca i czystość powierzchni grafenu po osadzeniu za pomocą STM (patrz krok 8.5). Patrz Ref. 2, 3 i 4, aby zapoznać się z dalszym protokołem badania zanieczyszczeń kulombowskich na grafenie.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Rysunek 1 przedstawia schemat urządzenia z grafenem z bramką tylną. Połączenie drutowe kontaktu Au/Ti z płytką próbkową UHV zapewnia elektryczne uziemienie grafenu, natomiast połączenie drutowe objętościowego Si z elektrodą podłączoną do zewnętrznego obwodu tworzy bramkę tylną urządzenia. Poprzez sterowanie bramką tylną urządzenia można zmienić stan ładunku zanieczyszczenia kulombowskiego przy określonym napięciu próbki (kontrolowanym przez końcówkę STM) na inny stan ładunku.2-4

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

W przypadku charakterystyki STM, krytyczne cele produkcji urządzenia grafenowego obejmują: 1) wyhodowanie grafenu jednowarstwowego z minimalną liczbą defektów, 2) uzyskanie dużej, czystej, jednolitej i ciągłej powierzchni grafenu, 3) montaż urządzenia grafenowego o wysokiej rezystancji między grafenem a bramką (tj. brak "wycieku bramki") oraz 4) osadzanie pojedynczych zanieczyszczeń kulombowskich.

Pierwszym celem jest proces CVD, podczas którego grafen rośnie na folii Cu. Chociaż istn...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Nasze badania były wspierane przez Dyrektora Biura Nauki, Biura Podstawowych Nauk Energetycznych Programu sp2 Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych na podstawie umowy nr. DE-AC02-05CH11231 (rozwój oprzyrządowania STM i integracja urządzeń); Biura Badań Marynarki Wojennej (Office of Naval Research) (charakterystyka urządzenia) oraz przyznanie nagrody NSF nr CMMI-1235361 (obrazowanie dI/dV). Dane STM zostały przeanalizowane i wyrenderowane za pomocą oprogramowania WSxM. 33 D. W. i A.J.B. byli wspierani przez Departament Obrony (DoD) w ramach programu National Defense Science & Engineering Graduate Fellowship (NDSEG), 32 CFR 168a.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Folia CuAlfa AesarCAS # 7440-50-8
Lot # F22X029
Stock # 13382		99,8% Cu
Scotch Magic TapeScotch®Nie dotyczyzłuszczania łyżki chemicznej z podwójnym końcówką hBN
PMMAMicro ChemM23004 0500L 1GLA4
FeCl3Bel-Art ScienceWare367300015dwustronna łyżka chemiczna powlekana PTFE, długość 15 cm
FeCl3 (aq)Ricca Chemical3127-1640% w/v
SiO2/Si(100) ChipNOVA Electric MateriałyHS39626-OXn/a
h-BNK. Watanabe i T. Taniguchi GroupSkontaktuj się z grupąsześciokątny japoński BN (JBN)
Au(111)Agilent TechnologiesN9805B-FGAu(111) epitaksyjnie uprawiany na mice
SzafirPrecyzyjny Ferryty & Ceramika, Inc.Skontaktuj się z dostawcąP/N Sapphire Chips
0.22 x 0.125 x 0.015"
Ca źródło:Trace Sciences International Corp.AS-3-Ca-5-Sn/a
Cu(100)Princeton Scientific Skontaktujsię z dostawcąCu(100) monokryształ
metanuPraxair, Inc.ME 5.0RS-KGaz prekursorowy wzrostu grafenu
WodórPraxair, Inc.HY 6.0RS-KGaz prekursorowy wzrostu grafenu
do

Bibliografia

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

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Urz dzenia z bramk steruj cbadania STM STSwzrost grafenuheksagonalny azotek borukontakty z oto tytanoweultrawysoka pr niaprzewodnictwo r niczkowe
Wytwarzanie urządzeń grafenowych z funkcją gate-tunable do badań skaningowej mikroskopii tunelowej z zanieczyszczeniami kulombowskimi
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki Korzystania

Zasady

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.