Zaawansowane metody eksperymentalne do niskotemperaturowych pomiarów magnetotransportu nowych materiałów

Ogólnym celem tej procedury jest pomiar charakterystyk elektrycznych monokryształów jednowarstwowych materiałów cienkowarstwowych o interesujących właściwościach elektronicznych. Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinie nanoelektroniki, takie jak to, w jaki sposób pojedyncze warstwy różnych materiałów, ułożone jedna na drugiej, oddziałują elektronicznie i jakie jest wyłaniające się zachowanie elektronowe powstałej heterostruktury. Główną zaletą tej techniki jest to, że pozwala ona na uzyskanie wysokiej jakości, wolnych od wad, wielowarstwowych próbek do pomiaru transportowego.

Chociaż metoda ta może zapewnić wgląd w grafen, można ją również zastosować do innych systemów, takich jak dichalkogenki metali przejściowych, izolatory topologiczne i inne materiały warstwowe. Przygotowanie podłoża jest uregulowane w protokole tekstowym. Płatki powinny być wysokiej jakości, masową próbką.

Na początek złuszcz płatki próbki. Przygotuj jeden na trzy centymetrowe kawałki standardowej taśmy do krojenia w kostkę wafli i odsłoń centymetr kwadratowy kleju, odklejając papier antyadhezyjny. Dociśnij część kleju do próbki zbiorczej na szkiełku.

Upewnij się, że większość obszaru kleju jest pokryta próbką. Następnie dociśnij taśmę do samoprzylepnej strony innego kawałka i rozerwij je. Kontynuuj tę czynność, aż płatki próbki przyczepione do taśmy do krojenia w kostkę staną się przezroczyste.

Następnie należy docisnąć taśmę z płatkami próbki do kawałka przygotowanego podłoża. Odklej taśmę, pozostawiając płatki przyklejone do podłoża. Sprawdź podłoże pod mikroskopem.

Zwróć uwagę na położenie odpowiedniego płatka na podłożu za pomocą znaczników pozycyjnych wzorowanych na podłożu. Kontynuuj za pomocą mikroskopu sił atomowych, aby zmierzyć grubość płatków. Powinien mieć grubość mniejszą niż 100 nanometrów.

Opcjonalnie należy nanieść rozpylony dwutlenek krzemu na próbkę, aby utworzyć matrycę izolacyjną i utrzymać próbkę na podłożu. Aby wytworzyć heterostruktury złożone z wielu płatków, przygotuj stosy płatków. Najpierw wykonaj przezroczystą pieczęć mechaniczną PDMS i PPC, zgodnie z opisem w protokole tekstowym.

Następnie, za pomocą mikropozycjonera, umieść stempel na pierwszym płatku materiału warstwowego w stosie heterostrukturalnym. Następnie wyreguluj oś Z, aby docisnąć stempel do płatka próbki. Ten krok wymaga cierpliwości, precyzji i uważnej uwagi na drobne zmiany koloru PPC PDMS w kontakcie z płatkami próbki.

Następnie podgrzej próbkę do około 40 stopni Celsjusza za pomocą grzałki oporowej pod próbką. Zwiększa to przyciąganie między PPC a próbką. Po podgrzaniu przez dwie minuty powoli podnieś stempel.

Płatek próbki należy dołączyć do PPC. Teraz umieść stempel mechaniczny z dołączonym płatkiem próbki na następnym płatku materiału warstwowego, który ma być użyty w stosie. Uważnie obserwuj wyrównanie i powoli opuszczaj stempel, aż dołączony płatek zetknie się z następnym płatkiem.

Następnie lekko dociśnij próbkę. Następnie ponownie podgrzej próbkę do 40 stopni Celsjusza przez dwie minuty. Następnie powoli podnieś stempel do góry, a następny płatek próbki powinien zostać przymocowany, tworząc stos.

Powtarzaj ten proces, aż stos o pożądanym rozmiarze zostanie ukończony. Teraz przenieś stos heterostrukturalny na nowe podłoże, najpierw delikatnie dociskając stempel do nowego elementu podłoża. Następnie podgrzej stempel i podłoże do 100 stopni Celsjusza przez pięć minut.

Będąc jeszcze w 100 stopniach Celsjusza, powoli podnieś stempel, pozostawiając stos na podłożu. Pierwszym krokiem tego protokołu jest wykorzystanie obrazów próbki w powiększeniu 20 x i 100 x w celu przygotowania projektu litografii wiązką elektronów. Rezultatem jest sześcioterminalowy projekt baru Hall.

Kolejnym krokiem jest wykonanie wzoru w PMMA. Najpierw odwiruj warstwę PMMA o masie cząsteczkowej 950 000 na czterocalowej płytce z prędkością 5 000 obr./min przez dwie minuty. Następnie piecz wafelek w temperaturze 180 stopni Celsjusza przez dwie minuty.

I pozwól mu ostygnąć jeszcze przez kilka minut przed użyciem. Teraz załaduj próbkę do systemu litografii wiązką elektronów. I, postępując zgodnie ze standardowymi protokołami, wydrukuj wzór na płytce zakodowanej PMMA.

Następnie wytraw próbkę w mesie barowej Hall. Użyj reaktywnego systemu trawienia jonowego, aby wytrawić próbkę w pasku Halla, używając wcześniej zamaskowanego wzoru. Po zakończeniu trawienia usuń PMMA acetonem, a następnie spłucz izopropanolem, a następnie wodą.

Aby przygotować maskę rezystancyjną wiązki elektronicznej do osadzania metalowych styków, użyj dwóch warstw PMMA. Wykonaj pierwszą warstwę za pomocą PMMA o masie cząsteczkowej 495 000, a drugą warstwę o masie cząsteczkowej 950 000. Następnie użyj systemu litografii wiązką elektronów, tak jak poprzednio, aby uzyskać wzór kontaktowy na płytce.

Ostatnim krokiem jest osadzenie metalicznego chromu na próbce za pomocą parownika wiązki elektronów, a następnie uniesienie metalu. Procesy te są szczegółowo opisane w protokole tekstowym. Do eksperymentu z magnetotransportem należy najpierw przygotować elektryczny pakiet transportowy z wyprodukowaną próbką.

Następnie mocno przymocuj opakowanie do końcówki sondy. Następnie podłącz wszystkie urządzenia diagnostyczne do sondy. Bezpieczne połączenia z kanałem regulacji temperatury i z elektrycznymi kanałami pomiarowymi.

Teraz odpowietrz śluzę powietrzną i włóż końcówkę sondy, a następnie zablokuj ją na miejscu za pomocą zacisku i o-ringu. Następnie ustaw pomiary transportu zgodnie z konkretnym typem sondy. Następnie wypompuj powietrze i parę wodną ze śluzy tak długo, jak to konieczne, za pomocą pompy próżniowej.

Zamknij wymianę i zamknij zawory śluzy powietrznej. Teraz otwórz zawory oddzielające przestrzeń śluzy od przestrzeni pomiarowej. Kolejnym krokiem jest wprowadzenie wymaganej objętości gazu do przestrzeni sondy.

Teraz dostosuj temperaturę mini sorb i main sorb zgodnie z potrzebami. I powoli opuść sondę do środka przestrzeni pomiarowej. Następnie wyślij system do temperatury bliskiej zeru kelwinów zgodnie z typem sondy.

Gdy temperatura spadnie, zacznij wykonywać pomiary transportu w zakresie temperatur, pól magnetycznych, napięć bramki i tak dalej. Urządzenie z prętem Halla zostało wzorowane na grafenie ułożonym na heksagonalnym azotku boru w eksperymencie magnetotransportu w niskiej temperaturze, jak opisano. Ten schemat pokazuje stany wytrawiania Landauera-Butikkera, które powstają z poziomów Landaua.

Te stany wytrawienia zapewniają mechanizm transportowy do obliczania wartości zmierzonych rezystancji Halla. Eksperymenty obejmowały wystawienie urządzenia na działanie pól magnetycznych o natężeniu do 12 Tesli, temperatur tak niskich jak zero 3 kelwiny i napięcia bramki sięgające 30 woltów. Płaskowyże mierzonej rezystancji Halla odpowiadają wypełnieniu na poziomie Landaua.

Jest to modelowy przykład kwantowego efektu Halla. Przy sześciu Teslach rezystancja Halla i rezystancja podłużna zostały zbadane jako funkcje napięcia bramki tylnej w celu opisania kwantowego efektu Halla na grafenie. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak wytwarzać wysokiej jakości, wolne od wad, wielowarstwowe próbki do pomiaru transportowego poprzez złuszczanie próbek, układanie płatków za pomocą mikropozycjonera i mikroskopu oraz zaawansowane narzędzia do nanowytwarzania.

Próbując wykonać tę procedurę, należy pamiętać o cierpliwości i precyzji. Po jego opracowaniu, techniki te torują drogę naukowcom zajmującym się nanoelektroniką do badania zachowań kwantowych nuvo w heterostrukturach grafenu i azotku prętów grafenu.