Fabrication de porte-accordables Devices graphène pour microscopie à effet tunnel études avec Coulomb Impuretés

Han Sae Jung; Hsin-Zon Tsai; Dillon Wong; Chad Germany; Salman Kahn; Youngkyou Kim; Andrew S. Aikawa; Dhruv K. Desai; Griffin F. Rodgers; Aaron J. Bradley; Jairo Velasco Jr.; Kenji Watanabe; Takashi Taniguchi; Feng Wang; Alex Zettl; Michael F. Crommie

doi:10.3791/52711

Method Article

Fabrication de porte-accordables Devices graphène pour microscopie à effet tunnel études avec Coulomb Impuretés

DOI:

10.3791/52711

⸱

July 24th, 2015

Han Sae Jung¹^,² , Hsin-Zon Tsai¹ , Dillon Wong¹ , Chad Germany¹ , Salman Kahn¹ , Youngkyou Kim¹^,³ , Andrew S. Aikawa¹ , Dhruv K. Desai¹ , Griffin F. Rodgers¹ , Aaron J. Bradley¹ , Jairo Velasco Jr.¹ , Kenji Watanabe⁴ , Takashi Taniguchi⁴ , Feng Wang¹^,⁵^,⁶ , Alex Zettl¹^,⁵^,⁶ , Michael F. Crommie¹^,⁵^,⁶

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

Summary

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Cet article détaille le processus de fabrication d’un dispositif en graphène accordable, décoré d’impuretés de Coulomb pour des études de microscopie à effet tunnel. La cartographie de la structure électronique spatialement dépendante du graphène en présence d’impuretés chargées révèle le comportement unique de ses porteurs de charge relativistes en réponse à un potentiel coulombien local.

Abstract

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Grâce à ses relativistes porteurs de charge de faible énergie, l'interaction entre le graphène et diverses impuretés conduit à une richesse de nouvelle physique et degrés de liberté pour contrôler des appareils électroniques. En particulier, le comportement des porteurs de charge de graphène en réponse à des potentiels d'impuretés Coulomb charge est prévu de différer sensiblement de celle de la plupart des matériaux. microscopie à effet tunnel (STM) et la spectroscopie à effet tunnel (STS) peuvent fournir des informations détaillées à la fois sur la dépendance énergétique et spatiale de la structure électronique de graphène en présence d'une impureté chargée. La conception d'un dispositif d'impureté-graphène hybride, fabriqué en utilisant dépôt contrôlé d'impuretés sur une surface de graphène arrière-dépendants, a permis à plusieurs méthodes nouvelles pour les propriétés électroniques de façon contrôlable tuning graphène. ^1-8 électrostatique déclenchement permet de contrôler la densité de porteurs de charge dans le graphène et la capacité de Reversisyntoniser Bly la charge ² et / ou moléculaires ⁵ états d'une impureté. Le présent document décrit le processus de fabrication d'un dispositif de graphène porte-accordable décorée avec des impuretés Coulomb individuels pour STM / STS études combinées. ^2-5 Ces études fournissent des indications précieuses sur la physique sous-jacente, ainsi que des indications pour la conception de dispositifs de graphène hybrides.

Introduction

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Le graphène est un matériau à deux dimensions avec une structure de bande linéaire unique, qui donne naissance à ses propriétés électriques, optiques et mécaniques exceptionnelles. ^1,9-16 Ses porteurs de charge de faible énergie sont décrits comme relativistes sans masse de Dirac fermions, ^15, dont comportement diffère significativement de celle des porteurs de charge non-relativistes dans les systèmes traditionnels. ^15-18 dépôt contrôlé d'une variété d'impuretés sur le graphène fournit une plate-forme simple mais polyvalent pour les études expérimentales de la réponse de ces porteurs de charge relativistes à une gamme de pert....

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Protocol

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1. Polissage électrochimique d'un Cu Foil ^22,23

Remarque: le polissage électrochimique de Cu nu expose surface pour la croissance de graphène en enlevant le revêtement de surface de protection et de contrôle de la densité d'ensemencement de croissance.

Préparer une solution de polissage électrochimique en mélangeant 100 ml d'eau ultra-pure, 50 ml d'éthanol, 50 ml d'acide phosphorique, 10 ml d'isopropanol et 1 g d'urée.
Couper feuille de Cu en plusieurs 3 cm par 3 cm feuilles. Note: Chaque feuille sert soit une anode ou une cathode.
Mettre en place l'anode / cathode ....

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Results

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La figure 1 illustre un schéma d'un dispositif de graphène arrière-dépendants. Wire-bonding Au / Ti contact à un UHV motif de la plaque d'échantillon graphène électriquement, tandis que le fil de liaison Si vrac à une électrode qui se connecte à un circuit externe portes arrière du dispositif. En arrière-gating un dispositif, un état de charge d'une impureté Coulomb à un biais d'échantillonnage donnée (qui est contrôlé par la pointe du STM) peut être accordé à un état de charge différent. ^2-4

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Discussion

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Pour STM caractérisation, objectifs critiques de la fabrication de dispositifs de graphène comprennent: 1) la culture monocouche de graphène avec un nombre minimal de défauts, 2) l'obtention d'un grand, propre, uniforme, et la surface de graphène continue, 3) l'assemblage d'un dispositif de graphène à haute résistance entre le graphène et la grille (par exemple, pas de "fuite de grille»), et 4) le dépôt d'impuretés individuelles Coulomb.

Le premier objectif .......

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Disclosures

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Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Acknowledgements

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Notre recherche a été soutenue par le Directeur, Bureau de la science, Bureau des sciences fondamentales de l'énergie du ministère américain du programme de sp2 de l'énergie sous contrat non. DE-AC02-05CH11231 (STM de développement de l'instrumentation et de l'intégration de l'appareil); l'Office of Naval Research (Caractérisation de l'appareil), et la NSF ne pas attribuer. CMMI-1235361 (dl / DV imagerie). Les données de la STM ont été analysés et rendus en utilisant un logiciel de WSxM. ³³ DW et AJB ont été soutenus par le ministère de la Défense (DoD) à travers le Programme National Defense Science & Ingénierie Graduate Fellow....

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Materials

List of materials used in this article
Name	Company	Catalog Number	Comments
Feuille Cu	Alfa Aesar	CAS # 7440-50-8 Lot # F22X029 Stock # 13382	99.8 % Cu
Scotch Magic	Tape Scotch® ;	N/A	pour l’exfoliation de hBN
PMMA	Micro Chem	M23004 0500L 1GL	A4
FeCl₃ cuillère résistante	Bel-Art ScienceWare	367300015	à double extrémité enduite de PTFE, longueur 15 cm
FeCl₃ (aq)	Ricca Chemical	3127-16	40 % w/v
SiO₂/Si(100) Puce	NOVA Electric Matériaux	HS39626-OX	n/a
h-BN	K. Watanabe et T. Taniguchi Groupe	Contacter le groupe	hexagonal japonais BN (JBN)
Au(111)	Agilent Technologies	N9805B-FG	Au(111) cultivé épitaxialement sur mica
Saphir	Ferrites de précision & Céramique, Inc.	Contacter le fournisseur	P/N Sapphire Chips 0.22 x 0.125 x 0.015"
Ca source :	Trace Sciences International Corp.	AS-3-Ca-5-S	n/a
Cu(100)	Princeton Scientific	Contacter le fournisseur	Cu(100)
monocristal Méthane	Praxair, Inc.	ME 5.0RS-K	Gaz précurseur de croissance du graphène
Hydrogène	Praxair, Inc.	HY 6.0RS-K	Gaz précurseur de croissance du graphène

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Novoselov, K. S., et al. Electric field effect in atomically thin carbon films. Science. 306 (5696), 666-669 (2004).
Brar, V. W., et al. Gate-controlled ionization and screening of cobalt adatoms on a graphene surface. Nat. Phys. 7 (1), 43-47 (....

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