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Engineering

कूलम्ब अशुद्धियों के साथ स्कैनिंग टनलिंग सूक्ष्मदर्शी अध्ययन के लिए गेट-ट्यून करने योग्य ग्राफीन उपकरणों का निर्माण

Published: July 24, 2015 doi: 10.3791/52711
Automatic Translation
1,2, 1, 1, 1, 1, 1,3, 1, 1, 1, 1, 1, 4, 4, 1,5,6, 1,5,6, 1,5,6
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

Abstract

इसके आपेक्षिकीय कम ऊर्जा से चार्ज वाहक के कारण, और graphene विभिन्न दोष के बीच बातचीत के नए भौतिकी और इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को नियंत्रित करने के लिए स्वतंत्रता की डिग्री की एक धन होता है। विशेष रूप से, आरोप लगाया है Coulomb दोष से क्षमता के जवाब में है graphene चार्ज वाहक का व्यवहार सबसे सामग्री के उस से काफी अलग करने के लिए भविष्यवाणी की है। स्कैनिंग टनलिंग सूक्ष्मदर्शी (एसटीएम) और स्कैनिंग टनलिंग स्पेक्ट्रोस्कोपी (अजजा) एक आरोप लगाया अशुद्धता की उपस्थिति में है graphene इलेक्ट्रॉनिक संरचना के स्थानिक और ऊर्जा निर्भरता दोनों के बारे में विस्तृत जानकारी प्रदान कर सकते हैं। एक संकर अशुद्धता-graphene के डिवाइस का डिजाइन, एक वापस-गेटेड graphene के सतह पर दोष से नियंत्रित बयान का उपयोग कर निर्मित, controllably ट्यूनिंग है graphene इलेक्ट्रॉनिक गुणों के लिए कई तरीकों उपन्यास सक्षम है। 1-8 इलेक्ट्रोस्टैटिक gating के graphene में प्रभारी वाहक घनत्व के नियंत्रण के लिए सक्षम बनाता है और क्षमता रिवर्सी के लिएBly धुन प्रभारी 2 और / या एक अशुद्धता की आणविक 5 राज्यों। इस पत्र में संयुक्त एसटीएम / अनुसूचित जनजातियों के अध्ययन के लिए अलग-अलग कूलम्ब अशुद्धियों के साथ सजाया एक गेट-ट्यून करने योग्य है graphene डिवाइस fabricating की प्रक्रिया की रूपरेखा। 2-5 इन अध्ययनों संकर graphene उपकरणों को डिजाइन करने के लिए मूल्यवान अंतर्निहित भौतिक विज्ञान में अंतर्दृष्टि, साथ ही मील के पत्थर प्रदान करते हैं।

Introduction

ग्राफीन अपनी असाधारण बिजली, ऑप्टिकल, और यांत्रिक गुणों को जन्म देता है जो एक अद्वितीय रैखिक बैंड संरचना, के साथ एक दो आयामी सामग्री है। 1,9-16 अपनी कम ऊर्जा से चार्ज वाहक जिसका आपेक्षिकीय, massless डिराक फरमिओन्स 15, के रूप में वर्णित किया जाता है व्यवहार पारंपरिक प्रणालियों में गैर आपेक्षिकीय चार्ज वाहक के उस से काफी अलग है। graphene के पर दोष की एक किस्म का 15-18 नियंत्रित बयान perturbations की एक श्रृंखला के लिए इन आपेक्षिकीय प्रभारी वाहकों की प्रतिक्रिया का प्रायोगिक अध्ययन के लिए एक सरल अभी तक बहुमुखी मंच प्रदान करता है। ऐसी प्रणालियों की जांच की graphene दोष, रासायनिक संभावित 6,7 बदलाव प्रभावी ढांकता हुआ निरंतर 8 को बदलने, और संभवतः इलेक्ट्रॉनिक रूप से मध्यस्थता superconductivity के 9 करने के लिए नेतृत्व कर सकते हैं कि पता चलता है। इन अध्ययनों में से कई संकर impurit के गुणों ट्यूनिंग करने के लिए एक साधन के रूप में 6-8 रोजगार इलेक्ट्रोस्टैटिक gatingY-graphene के उपकरण। इलेक्ट्रोस्टैटिक gating के हिस्टैरिसीस बिना अपनी फर्मी स्तर के लिए सम्मान के साथ एक सामग्री का इलेक्ट्रॉनिक संरचना बदलाव कर सकते हैं। 2-5 इसके अलावा, इस तरह के दोष के आरोप में 2 या आणविक 5 राज्यों ट्यूनिंग द्वारा, इलेक्ट्रोस्टैटिक gating के reversibly एक संकर अशुद्धता-ग्राफीन की संपत्तियों को संशोधित कर सकते हैं डिवाइस।

पीछे-gating एक graphene डिवाइस स्कैनिंग टनलिंग सूक्ष्मदर्शी (एसटीएम) द्वारा जांच के लिए एक आदर्श व्यवस्था प्रदान करता है। एक स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप एक प्रवाहकीय सतह से कुछ angstroms दूर आयोजित एक तेज धातु टिप के होते हैं। दोनों के बीच नोक और सतह, इलेक्ट्रॉनों सुरंग के बीच एक पूर्वाग्रह लागू करके। सबसे आम मोड में, लगातार चालू मोड, एक रेखापुंज-स्कैनिंग के आगे और पीछे टिप द्वारा नमूना की सतह की स्थलाकृति नक्शा कर सकते हैं। इसके अतिरिक्त, नमूना के स्थानीय इलेक्ट्रॉनिक संरचना स्थानीय डी के लिए आनुपातिक है जो एक अंतर प्रवाहकत्त्व डि / DV स्पेक्ट्रम की जांच से अध्ययन किया जा सकताराज्यों के nsity (LDOs)। यह माप अक्सर स्कैनिंग टनलिंग स्पेक्ट्रोस्कोपी (अजजा) करार दिया है। अलग से पूर्वाग्रह और पीछे के गेट voltages के नियंत्रित करके, अशुद्धियों को ग्राफीन की प्रतिक्रिया इन डि / DV स्पेक्ट्रा के व्यवहार का विश्लेषण करके अध्ययन किया जा सकता है। 2-5

इस रिपोर्ट में, Coulomb अशुद्धियों के साथ सजाया एक वापस-गेटेड graphene के इस उपकरण के निर्माण में उल्लिखित है (उदाहरण के लिए, CA परमाणुओं का आरोप लगाया है)। कैल्शियम adatoms और समूहों के graphene, हेक्सागोनल बोरान नाइट्राइड (एच बी एन), सिलिकॉन डाइऑक्साइड (2 Sio), और थोक सिलिकॉन (चित्रा 1): डिवाइस (ऊपर से नीचे तक) निम्नलिखित क्रम में तत्वों के होते हैं। एच बी एन graphene के लिए एक atomically फ्लैट और विद्युत सजातीय सब्सट्रेट प्रदान करता है जो एक इंसुलेटिंग पतली फिल्म है। 19-21 एच बी एन और SiO dielectrics के रूप में 2 अधिनियम, और थोक सी बैक-द्वार के रूप में कार्य करता है।

डिवाइस बनाना, graphene के पहले एक electroche पर उगाया जाता हैरासायनिक वाष्प जमाव (सीवीडी) ग्राफीन की 22-25 के लिए एक साफ सतह उत्प्रेरक के रूप में कार्य करता है जो mically पॉलिश घन पन्नी 22,23,। एक सीवीडी विकास में, मीथेन (सीएच 4) और हाइड्रोजन (एच 2) अग्रदूत गैसों घन पन्नी पर graphene क्रिस्टल के डोमेन के लिए फार्म पाइरोलाइसिस गुज़रना पड़ता है। इन डोमेन और अंत में एक polycrystalline graphene चादर बनाने, एक साथ विलय हो जाना। 25 जिसके परिणामस्वरूप graphene के लक्ष्य सब्सट्रेट पर स्थानांतरित कर रहा है, एक 2 Sio पर एच-बी एन के यांत्रिक छूटना 19-21 द्वारा तैयार एक एच बी एन / 2 Sio चिप (/ सी (100) चिप), पाली के माध्यम से (मिथाइल methacrylate) (PMMA) हस्तांतरण। 26-28 PMMA के स्थानांतरण में, घन पर graphene पहले PMMA की एक परत के साथ स्पिन लेपित है। / PMMA के graphene / घन नमूना तो एक एचेंट समाधान पर तैरता है (उदाहरण के लिए, FeCl 3 (ए क्यू) 28) घन मीटर दूर etches, जो। unreacted / PMMA graphene के नमूना बाद में एक एच बी एन / 2 Sio चिप और साथ निकाला जाता है(जैसे, सीएच 2 सीएल 2) और ए.आर. / एच 2 पर्यावरण 29,30 PMMA परत को हटाने के लिए एक कार्बनिक विलायक में साफ कर दिया। जिसके परिणामस्वरूप के graphene / एच बी एन / 2 Sio / सी नमूना तो तार-बंधुआ एक अति उच्च निर्वात (UHV) नमूना थाली पर बिजली के संपर्क करने के लिए और एक UHV कक्ष में annealed है। अंत में, graphene के डिवाइस कूलम्ब अशुद्धियों के साथ बगल में जमा किया जाता है (उदाहरण के लिए, CA परमाणुओं का आरोप लगाया है) और एसटीएम द्वारा अध्ययन किया। 2-5

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Protocol

एक घन मीटर पन्नी 22,23 1. विद्युत चमकाने

नोट: विद्युत चमकाने सुरक्षात्मक सतह कोटिंग को हटाने के द्वारा graphene के विकास के लिए नंगे घन सतह को उजागर करता है और विकास के बीज घनत्व को नियंत्रित करता है।

  1. 100 मिलीलीटर अति शुद्ध पानी, 50 मिलीलीटर इथेनॉल, 50 मिलीलीटर फॉस्फोरिक एसिड, 10 मिलीलीटर isopropanol, और 1 ग्राम यूरिया के मिश्रण से एक विद्युत चमकाने समाधान तैयार है।
  2. 3 सेमी पन्नी से कई में 3 सेमी घन पन्नी काटें। नोट: प्रत्येक पन्नी एक anode या एक कैथोड रूप में या तो कार्य करता है।
  3. एक धारक के साथ खड़ी एक घन पन्नी कतरन और बिजली की आपूर्ति की उचित टर्मिनल से जोड़कर एनोड / कैथोड सेट करें।
    नोट: एनोड (सकारात्मक टर्मिनल) graphene के विकास के लिए electrochemically पॉलिश किया जाएगा।
  4. चमकाने के शुरू होने से पहले, बिजली की आपूर्ति में 4.8 वी के निरंतर वोल्टेज निर्धारित किया है।
  5. एनोड और कैथोड के रूप में के रूप में जल्द ही बिजली की आपूर्ति चालू करें एक साथ electrochemi में डूबा रहे हैंसीएएल चमकाने समाधान। के बारे में 2 सेमी से इलेक्ट्रोड अलग करें। जिसके परिणामस्वरूप वर्तमान 1-2 ए के बीच है कि जाँचें
  6. बिजली की आपूर्ति बंद करने से 2 मिनट के बाद विद्युत चमकाने बंद करो। एनोड बाहर ले जाओ और तुरंत अति शुद्ध पानी, एसीटोन, और isopropanol के साथ इसे अलग से कुल्ला।
  7. एन 2 गैस के साथ rinsed घन पन्नी उड़ा-सूखी और एक सूखी कंटेनर में स्टोर।

एक घन मीटर पन्नी 22-25 पर ग्राफीन 2. रासायनिक वाष्प जमाव (सीवीडी)

  1. एक सीवीडी भट्ठी में एक क्वार्ट्ज ट्यूब प्लेस और KF फिटिंग के साथ गैस लाइन के आराम करने के लिए ट्यूब कनेक्ट।
  2. एक क्वार्ट्ज नाव के शीर्ष पर एक electrochemically पॉलिश घन पन्नी रखें। घन पन्नी सीवीडी भट्ठी के केंद्र में रखा गया है, जब तक एक लंबी छड़ी का उपयोग करना, क्वार्ट्ज ट्यूब में क्वार्ट्ज नाव धक्का। KF फिटिंग के साथ प्रणाली संलग्न करें।
  3. एक roughing के पंप के साथ प्रणाली के नीचे पम्प। एच 2 के साथ प्रणाली शुद्ध।
  4. 1050 को तापमान रैंप6, सी एच 2 के 200 SCCM के साथ। 2 घंटे के लिए एक ही गैस के प्रवाह के साथ 1,050 डिग्री सेल्सियस पर पानी रखना।
    नोट: तापमान के माध्यम से मापा जाता है, में निर्मित प्रकार कश्मीर thermocouple के एक ट्यूब भट्ठी में।
  5. एक ही गैस के प्रवाह के साथ 1030 डिग्री सेल्सियस के लिए शांत हो जाओ। 40 SCCM सीएच 4 और 10 SCCM एच 2 के साथ 10 मिनट के लिए graphene के लिए आगे बढ़ें।
  6. जैसे ही विकास खत्म हो गया है, के रूप में टोट नीचे तेजी से ठंडा करने के लिए भट्ठी हुड ऊपर खुला। एक ही गैस का प्रवाह रखें।
  7. तापमान 100 डिग्री सेल्सियस से नीचे है एक बार, गैस का प्रवाह बंद कर देते हैं।
  8. पंप बंद करें। धीरे-धीरे गैस लाइन और एन 2 गैस सिलेंडर के बीच पैमाइश वाल्व खोलने के द्वारा एन 2 गैस के साथ प्रणाली वेंट।
  9. नमूना बाहर ले जाओ। वांछित आयामों के साथ टुकड़ों में कॉपर पन्नी काटें।
  10. एक desiccator अंदर एक सूखी कंटेनर में नमूना संग्रहीत करें।

एक 2 Sio चिप पर एच-बी एन 3. यांत्रिक छूटना 19-21

  1. एक 2 Sio चिप साफ करें। नोट: एसIo 2 चिप एक थोक सी के शीर्ष पर एक मोटे तौर पर 285 एनएम मोटी 2 Sio परत के होते हैं।
    1. एक हीरे मुंशी का उपयोग कर 1 सेमी चिप्स द्वारा 1 सेमी के बारे में एक 2 Sio वेफर काटें।
    2. पानी और isopropanol के साथ 2 Sio चिप कुल्ला। प्रत्येक कुल्ला के बाद पानी / isopropanol के साथ कवर 2 Sio सतह रखें।
    3. इसकी सतह से तरल दूर करने के लिए स्पिन coater पर 2 Sio चिप रखें। 15 सेकंड के लिए 3000 rpm के साथ चिप स्पिन।
    4. अंधेरे क्षेत्र की स्थापना के साथ एक ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप के तहत चिप की सफाई की जाँच करें। नोट: अंधेरे क्षेत्र सेटिंग के अंतर्गत, ठोस दोष के रूप में उज्ज्वल कणों दिखाई देते हैं।
  2. एक ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप के साथ एक साफ मेज पर एक साफ 2 Sio चिप, छूटना टेप, और एच बी एन क्रिस्टल रखें।
  3. एक माता पिता के टेप और एक दूसरे टेप: टेप के दो स्ट्रिप्स तैयार करें। उनके चिपचिपा पक्षों के साथ टेबल पर दोनों के ऊपर रखें। माता पिता के टेप का चिपचिपा पक्ष पर एक एच बी एन क्रिस्टल रखें।
  4. जगहमाता पिता के टेप पर एच-बी एन क्रिस्टल के ऊपर दूसरा टेप की ticky पक्ष (दूसरा और माता पिता के टेपों का चिपचिपा पक्षों को छू रहे हैं)। फंस हवाई बुलबुले को दूर करने के लिए धीरे क्रिस्टल से अधिक रगड़ो।
  5. दूसरा टेप पर एच-बी एन क्रिस्टल छूटना दूसरा टेप दूर छील। भविष्य में उपयोग के लिए माता पिता के टेप स्टोर।
  6. , खुद पर दूसरा टेप मोड़ो क्रिस्टल पर धीरे रगड़ें, और टेप बंद छील। एच बी एन क्रिस्टल दूसरा टेप हर बार की एक ताजा नए क्षेत्र के लिए स्थानांतरित कर रहे हैं इतना है कि दूसरा टेप तह, इस प्रक्रिया को 10 बार दोहराएं।
  7. माइक्रोस्कोप के तहत एक साफ 2 Sio चिप रखें। 2 Sio चिप पर एच-बी एन क्रिस्टल युक्त दूसरा टेप के क्षेत्र रहो। टेप भी आगामी छूटना चरण के दौरान चिप हासिल करने के लिए माइक्रोस्कोप खड़े करने के लिए लाठी सुनिश्चित करें।
  8. धीरे धीरे खुर्दबीन के नीचे प्रक्रिया की निगरानी, ​​टेप बंद छील। टेप लगभग से खुली है के रूप में, 2 Sio धारण करने के लिए एक चिमटी से नोचना उपयोग
  9. टेप से खुली है एक बार, एक सीवीडी भट्ठी के अंदर चिप जगह है। 2 घंटे के लिए 500 डिग्री सेल्सियस पर हवा में चिप पानी रखना।

4. पाली (मिथाइल methacrylate) (PMMA) पर ग्राफीन की 26-28 स्थानांतरण एच बी एन / 2 Sio

  1. Graphene के / घन मीटर / graphene के पन्नी पर PMMA (ए 4) की एक बूंद रखो। स्पिन कोट 30 सेकंड में 3,000 आरपीएम के साथ पन्नी। नोट: FeCl 3 (ए क्यू) आगामी नक़्क़ाशी चरण के दौरान घन परत दूर etches के रूप में / PMMA graphene परत unreacted (चित्रा 2) रहेगा, जबकि पीठ के graphene गिर जाएगा।
  2. FeCl 3 (ए क्यू), अति शुद्ध पानी पर 5 मिनट, FeCl 3 (ए क्यू), 5 पर 1 मिनट पर 1.5 मिनट: एक FeCl 3 प्रतिरोधी चम्मच का प्रयोग, स्पिन में लिपटे घन पन्नी इस क्रम में निम्न समाधानों पर नाव अति शुद्ध पानी पर मिनट, FeCl 3 (ए क्यू), अति शुद्ध पानी पर 5 मिनट, अति शुद्ध wate पर 5 मिनट पर 15 मिनटआर, और अति शुद्ध पानी पर 30 मिनट। एक अलग बीकर में प्रत्येक अति शुद्ध पानी के स्नान की तैयारी।
  3. एक एच बी एन / 2 Sio चिप के साथ / PMMA graphene के नमूना मछली। पानी निकालने के लिए 10 मिनट के लिए 80 डिग्री सेल्सियस पर एक गर्म थाली पर जगह और 180 डिग्री सेल्सियस पर 15 मिनट के 27 PMMA फिल्म को आराम करने के लिए।
  4. सीएच 2 सीएल 2 हे / PMMA के graphene / एच बी एन / 2 Sio चिप जगह / एन PMMA परत भंग करने के लिए।

5. एर / एच 2 एनीलिंग 29,30

  1. सीवीडी भट्ठी पर क्वार्ट्ज ट्यूब प्लेस और KF फिटिंग के साथ गैस लाइन के आराम करने के लिए ट्यूब कनेक्ट।
  2. एक क्वार्ट्ज नाव पर graphene / बी एन / 2 Sio चिप रखें। चिप सीवीडी भट्ठी के केंद्र में रखा गया है, जब तक एक लंबी छड़ी का उपयोग करना, क्वार्ट्ज ट्यूब में क्वार्ट्ज नाव धक्का। KF फिटिंग के साथ प्रणाली संलग्न करें।
  3. एक roughing के पंप के साथ प्रणाली के नीचे पम्प। एच 2 और गिरफ्तारी के साथ प्रणाली शुद्ध।
  4. 100 अनुसूचित जाति के साथ 1 एटीएम करने के लिए दबाव बनाएँसेमी एच 2 और 200 एक पैमाइश वाल्व के साथ अर SCCM। दबाव 1 एटीएम में पहुँचता है, 1 एटीएम पर दबाव स्थिर करने के लिए पैमाइश वाल्व के एपर्चर आकार को समायोजित।
  5. एक ही गैस के प्रवाह के साथ 5 घंटे के लिए 350 डिग्री सेल्सियस के तापमान और पानी रखना रैंप।
  6. एक ही गैस के प्रवाह के साथ आरटी के लिए शांत हो जाओ।
  7. तापमान 100 डिग्री सेल्सियस से नीचे है एक बार, गैस का प्रवाह बंद कर देते हैं। सभी वाल्व को बंद करें।
  8. पंप बंद करें। धीरे-धीरे गैस लाइन और एन 2 गैस सिलेंडर के बीच पैमाइश वाल्व खोलने के द्वारा एन 2 गैस के साथ प्रणाली वेंट।
  9. नमूना बाहर ले जाओ। परतों graphene और रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी 32 के साथ दोष स्तर की संख्या की जाँच करें। ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप के तहत अपनी सफाई / एकरूपता की जाँच करें। परमाणु बल सूक्ष्मदर्शी (AFM) के साथ ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप के नीचे साफ दिखाई देते हैं कि स्कैन कई क्षेत्रों नमूने के रूप में अच्छी तरह से एक छोटी लंबाई पैमाने (<500 एनएम) में साफ / वर्दी प्रतीत होता है कि यह सुनिश्चित करने के लिए।
  10. एक के अंदर एक सूखी कंटेनर में स्टोरdesiccator।

6. एसटीएम मापन 2-5 के लिए एक गेट-ट्यून करने योग्य ग्राफीन डिवाइस कोडांतरण

  1. ए.आर. / एच 2 पर एक 50 माइक्रोन से 50 माइक्रोन एयू / तिवारी संपर्क पैड लुप्त हो जाना सीवीडी के graphene / एच बी एन / 2 Sio नमूना -annealed।
    1. एक micromanipulator के शीर्ष पर एक मंच पर नमूना टेप।
    2. ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप के साथ निगरानी करते हैं, एयू / तिवारी संपर्क सतह को कवर बिना ब्याज के क्षेत्र के पास जमा हो जाएगा तो यह है कि micromanipulator का उपयोग graphene के साथ एक स्टैंसिल मुखौटा पंक्ति में।
    3. एक ई-बीम बाष्पीकरण के लिए स्टैंसिल मुखौटा के साथ नमूना स्थानांतरण। 3 ए / सेक में तिवारी के 10 एनएम लुप्त हो जाना। निर्वात को तोड़ने के बिना एक ही वाष्पीकरण सत्र में 3 ए / सेक में Au के 30-50 एनएम वाष्पन द्वारा तिवारी परत के ऊपर कवर। नोट: वैकल्पिक रूप से, सीआर का 1 एनएम तिवारी के 10 एनएम के लिए एक अच्छा विकल्प है।
    4. मंच को दूर करने के लिए micromanipulator से वापस स्टैंसिल मुखौटा के साथ नमूना स्थानांतरण।
    2. <ली> माउंट एक अति उच्च निर्वात (UHV) नमूना थाली पर नमूना।
    1. एक UHV नमूना थाली पर नीलम की एक पतली टुकड़ा रखें। नोट: सी और एसटीएम जमीन के बीच बिजली के संपर्क से बचाता है कि एक इन्सुलेट परत के रूप में नीलम कार्य करता है। इसके अलावा, नीलम नमूना annealing के उद्देश्य के लिए एक उत्कृष्ट थर्मल कंडक्टर है।
    2. नीलमणि के शीर्ष पर नमूना रखें। नमूना पर नीलम का एक और पतली टुकड़ा रखें। नीलमणि के graphene सतह को कवर नहीं करता है सुनिश्चित करें।
    3. एक धातु क्लैंप के साथ नीलमणि / नमूना / नीलमणि संरचना को सुरक्षित करो। पूरे ढांचे को कठोर है कि यह सुनिश्चित करें या फिर यह एक एसटीएम के अंदर कंपन होगा।
  2. UHV नमूना थाली टर्मिनलों तार-बंधन के graphene डिवाइस पर संपर्क उपयुक्त। नोट: जमा एयू / तिवारी इलेक्ट्रोड तार-बंधुआ सी थोक तार-बंधुआ गेट इलेक्ट्रोड के लिए (चित्रा 1) है, जबकि जमीन के लिए कर रहे हैं।
    1. एक उड़ान तार-संबंध के मंच पर घुड़सवार नमूना रखें।
    2. एक ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप का उपयोग एयू / तिवारी संपर्कों के स्थानों की पहचान।
    3. एक तार-bonder चालू करें। तार-bonder साँस का है, तो एन 2 गैस पर बारी। दो बांड बनाने के लिए तार-bonder सेट करें।
    4. एक तार-संबंधों में हाथ का प्रयोग, UHV नमूना थाली पर उपयुक्त टर्मिनल के शीर्ष पर तार bonder की नोक जगह है। नीचे ले जाएँ और तार-bonder संबंध समाप्त हो गया है इंगित करता है कि जब तक धीरे टर्मिनल पर तार bonder की नोक दबाएँ।
    5. Graphene के उपकरण पर एयू / तिवारी संपर्क करने के लिए एक तार थ्रेड। नीचे ले जाएँ और तार-bonder संबंध समाप्त हो गया है इंगित करता है कि जब तक धीरे एयू / तिवारी संपर्क पर तार bonder की नोक दबाएँ।
    6. एक के पीछे के गेट के रूप में इस्तेमाल किया जाएगा कि सी को बेनकाब करने के लिए 2 Sio चिप के किनारे पर कुछ 2 Sio बंद खरोंच करने के लिए एक हीरे मुंशी का प्रयोग करें। उजागर सी के लिए दो-संबंधों की प्रक्रिया को दोहराएं।
    7. एक UHV (10 -10 Torr) प्रस्तुत करने का कक्ष के अंदर नमूना डालें और तार बंधुआ जी पानी रखनालगभग 300 डिग्री सेल्सियस पर raphene डिवाइस। एक एसटीएम चैम्बर के लिए डिवाइस स्थानांतरण।
      नोट: इसकी सतह एसटीएम के तहत साफ दिखाई देता है जब तक की graphene डिवाइस (। सेक देखने के प्रोटोकॉल के 8) annealed किया जाना चाहिए। annealing के समय डिवाइस का प्रारंभिक सफाई के आधार पर अलग अलग होंगे।

(111) भूतल 31 एयू पर 7. एसटीएम टिप कैलिब्रेशन

  1. Au सतह को समतल / साफ करने के लिए एक UHV कक्ष में हीटर मंच पर पानी रखना / एक ए.यू. धूम (111) नमूना। 375 डिग्री सेल्सियस पर 5 मिनट के लिए पानी रखना, और अर + किरण के साथ 5 मिनट के लिए धूम वी एसटीएम स्कैनिंग चरण के लिए एयू (111) नमूना हस्तांतरण करने के लिए 500 त्वरित।
  2. एक एसटीएम टिप के साथ एक ए.यू. (111) सतह दृष्टिकोण। एक ए.यू. (111) herringbone पुनर्निर्माण तक एसटीएम नोक पर 10 वी दालों लागू करें स्पष्ट रूप से दिख रहा है।
  3. (111) डि / DV स्पेक्ट्रम टिप आकार का समायोजन और मानक Au को अंतर प्रवाहकत्त्व डि / DV स्पेक्ट्रम की तुलना द्वारा टिप जांचना। 31
  4. एक साफ / फ्लैट क्षेत्र की पहचान करने के लिए 40 एनएम फ्रेम से 40 एनएम के साथ Au (111) सतह स्कैन करें। सतह कदम किनारों के एक उच्च घनत्व है, स्कैनिंग के लिए एक नया क्षेत्र के लिए कदम।
  5. धीरे एयू (111) सतह की एक साफ क्षेत्र में 1.0 एनएम के लिए एसटीएम टिप 0.4 दुर्घटना; इस नियंत्रित दुर्घटनाग्रस्त एक एसी संग्राहक वोल्टेज की वर्तमान प्रतिक्रिया पर लॉक-इन के माध्यम से एक डि / DV स्पेक्ट्रम लेने के लिए एक "। प्रहार" राय को बंद कर दें और "स्पेक्ट्रोस्कोपी लो" पर क्लिक करें बटन के रूप में जाना जाता है (6 एम वी और 613.7 हर्ट्ज) टिप पूर्वाग्रह के लिए कहा।
    नोट: नोक पर प्रदान की जाती है एसी संग्राहक वोल्टेज (6 एम वी और 613.7 हर्ट्ज) एक बार, जिसके परिणामस्वरूप सुरंग खोदने के वर्तमान में एक ही आवृत्ति के साथ वर्तमान के घटक आइसोलेट्स और डि / DV संकेत देता है जो लॉक-इन एम्पलीफायर, में चला जाता है। नमूना पूर्वाग्रह 1.0 वी -1.0 से बह रहा है के रूप में यह संकेत रिकॉर्डिंग करके, डि / DV स्पेक्ट्रम उत्पन्न होता है। इस स्पेक्ट्रोस्कोपी कार्यक्रम लेने के लिए घर से लिखा है, अनुदेश है क्योंकिस्पेक्ट्रोस्कोपी विभिन्न कार्यक्रमों के बीच अलग अलग होंगे।
  6. एक मानक एयू (111) डि / DV स्पेक्ट्रम (चित्रा 4) के खिलाफ प्राप्त डि / DV वक्र की जाँच करें। यकीन एयू (111) सतह राज्य डि / DV की अवस्था में है और स्पेक्ट्रम किसी भी विषम सुविधा के अनुपस्थित है कि मौजूद है बनाओ। मापा डि / DV वक्र स्वीकार्य नहीं है, तो डि / DV वक्र चित्रा 4 में दिखाया गया है एक तरह लग रहा है जब तक कदम 7.3.2 में प्रहार दोहराएँ।
  7. टिप आकार और डि / DV स्पेक्ट्रम अनुकूलित कर रहे हैं एक बार, 30 मिनट के लिए 15 इंतजार; एसटीएम टिप अस्थिर है, तो डि / DV स्पेक्ट्रम इस समय अंतराल के दौरान बदल जाएगा। एसटीएम टिप स्थिर है या नहीं इस बात की पुष्टि करने के लिए एक अलग स्थान पर एक डि / DV स्पेक्ट्रम फिर से लेना।
  8. डि / DV वक्र बदल गया है, तो चरण 7.3.2 में प्रहार दोहराएँ। डि / DV वक्र अपरिवर्तित है अगर graphene के स्कैन करने के लिए आगे बढ़ें।

8. स्कैनिंग ग्राफीन

  1. Trएक एसटीएम स्कैनिंग चरण के लिए है graphene डिवाइस ansfer।
  2. एसटीएम टिप और graphene डिवाइस को देखने के लिए एक लंबी दूरी की ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप का उपयोग करें। बाद में laterally टिप और ब्याज की एच बी एन परत aligning, graphene के दृष्टिकोण।
  3. 2 एनएम क्षेत्र से एक 2 एनएम स्कैनिंग शुरू। धीरे धीरे आदि 15 एनएम, 20 एनएम से 20 एनएम, द्वारा 10 एनएम, 15 एनएम से, 5 एनएम, 10 एनएम से 5 एनएम के लिए स्कैन खिड़की बढ़ाना है। एक बड़े अशुद्धता (ऊंचाई में> 100 बजे) का सामना करना पड़ा रहा है, तो टिप वापस लेने और एक अलग क्षेत्र के लिए कदम।
  4. (संदर्भ में देखते हैं। 21) एक डि / DV स्पेक्ट्रम लो और graphene / एच बी एन सब्सट्रेट पर मानक डि / DV स्पेक्ट्रम की तुलना करें। स्पेक्ट्रम तुलनीय नहीं है, तो एक ए.यू. (111) सतह पर टिप recalibrate (सेक देखते हैं। प्रोटोकॉल के 7)।
  5. स्कैन कई क्षेत्रों का सामना करना पड़ा है कि कितने समय में बड़ी अशुद्धता (ऊंचाई में> 100 बजे) की भावना लाने के लिए। इन आंकड़ों के आधार पर, नमूना की सफाई परिणाम निकालना।

एक ग्राफीन surfac पर 9. जमा कूलम्ब अशुद्धियोंई 2-4

  1. एक सीए स्रोत प्राप्त करते हैं। एक UHV परीक्षण के चैम्बर में एक अवशिष्ट गैस विश्लेषक (RGA) और क्वार्ट्ज क्रिस्टल Microbalance (QCM) के साथ सीए परमाणुओं के वाष्पीकरण जांचना। नोट: QCM एक सीए जमा दर के उपाय, जबकि RGA सीए जमा की शुद्धता का मूल्यांकन करता है।
    1. सीए स्रोत के माध्यम से वर्तमान चलाएँ।
    2. RGA जन स्पेक्ट्रम में पता चला है 10 -10 Torr के एक सीए आंशिक दबाव जब तक वर्तमान में वृद्धि। सीए और अर एक ही बड़े पैमाने पर है और इसलिए RGA में पृथक कर रहे हैं कि इस तथ्य से अवगत रहें।
    3. QCM साथ सीए जमा दर (परत / सेक) को मापने।
      1. इनपुट घनत्व (जैसे, 1.55 छ / सीए आयन के लिए सेमी 3) जमा की दर बयान आवृत्ति परिवर्तन मूल्य बदलने के लिए।
      2. QCM के लिए बयान की दर को मॉनिटर / एस में जमा दर में पढ़ता है; एक monolayer की मोटाई (जैसे, 0.228 A के लिए सीए आयन आयनिक व्यास के बराबर है यह मानते परत / सेक करने के लिए इस कन्वर्ट) जमा की।
    4. जमा दर पर नजर रखने के लिए एक वांछित जमा दर (उदाहरण के लिए, 3.33 एक्स 10 -5 परत / सेक) को इंगित करता है जब तक वर्तमान का समायोजन करके इष्टतम वर्तमान निर्धारित करते हैं।
  2. जमा दर को देखते हुए (उदाहरण के लिए, 3.33 एक्स 10 -5 परत / सेक) कदम 9.1.3 में वांछित राशि जमा करने के लिए समय (सेक) की गणना (जैसे, 0.01 monolayer) सीए की एसटीएम में कदम 9.1.3 से इष्टतम वर्तमान की स्थापना के साथ बगल में एक घन मीटर (100) सतह पर सीए जमा। घन एसटीएम के साथ (100) सतह (कदम 8.5 देखें) के बाद बयान के सीए कवरेज और सफाई की जाँच करें; एसटीएम के तहत घन मीटर (100) सतह हालत की उम्मीद दिखाई देता है जब तक वर्तमान सेटिंग recalibrate।
    नोट: बयान मापदंडों खराब नियंत्रित बयान के साथ graphene डिवाइस contaminating के जोखिम को कम करने के लिए घन मीटर (100) पहले पर अनुकूलित कर रहे हैं।
  3. पर सीटू बयान में के लिए एक एसटीएम करने के graphene डिवाइस स्थानांतरण4 के.एच.
  4. जमा graphene के सतह पर सीए परमाणुओं का आरोप लगाया।
    1. Graphene के पर सीए जमा करने से पहले, CA स्रोत outgass। कदम 9.2 में वांछित वर्तमान तक पहुँच जाता है और धीरे-0.25 हर 5-10 मिनट के स्रोत पर वर्तमान में वृद्धि। Graphene के पहुंचने से outgassed दूषित पदार्थों को रोकने के लिए और graphene सीए स्रोत के बीच एक शटर बंद कर दें।
    2. वाष्पीकरण प्रवाह शटर खोलने से पहले 20 मिनट के लिए स्थिर करते हैं।
    3. शटर और वांछनीय जमा खोलने (उदाहरण के लिए, 0.01 monolayer) graphene के सतह पर सीए आयनों की राशि। Graphene के डिवाइस लाइन की दृष्टि सीए स्रोत के साथ है सुनिश्चित करें। एसटीएम टिप लाइन की दृष्टि सीए स्रोत के एसटीएम टिप से चिपके से सीए परमाणुओं को रोकने के लिए से बाहर है कि सुनिश्चित करें।
  5. (8.5 कदम देखें) सीए कवरेज और एसटीएम के साथ पोस्ट-जमाव graphene के सतह की सफाई की जाँच करें। रेफरी का संदर्भ लें। 2, 3, और graphene पर कूलम्ब दोष के अध्ययन के आगे प्रोटोकॉल के लिए 4।

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Representative Results

चित्रा 1 एक वापस-गेटेड graphene के उपकरण का एक योजनाबद्ध दिखाता है। तार से संबंध विद्युत एक UHV नमूना थाली आधार graphene के लिए एयू / तिवारी से संपर्क करें, जबकि एक बाहरी सर्किट करने के लिए बैक-फाटकों डिवाइस जोड़ता है कि एक इलेक्ट्रोड को तार-संबंध सी थोक। द्वारा वापस-gating एक अलग राज्य के प्रभारी को देखते जा सकता है एक ऐसा उपकरण (एसटीएम टिप के द्वारा नियंत्रित किया जाता है) किसी नमूने पूर्वाग्रह पर एक कूलम्ब अशुद्धता के प्रभारी राज्य। 2-4

चित्रा 2 एक गेट-ट्यून करने योग्य है graphene डिवाइस fabricating के लिए कदम की रूपरेखा। एक घन मीटर पन्नी पहले electrochemically, कॉपर पन्नी से पहले इसकी सतह चिकनी हो गए हैं चाहिए के रूप में की तुलना में नग्न आंखों के नीचे shinier प्रकट करना चाहिए अपनी सुरक्षा सतह कोटिंग को हटाने और इसके विकास के बीज घनत्व को संशोधित। 23,24 विद्युत चमकाने के बाद करने के लिए पॉलिश है। electrochemically पॉलिश घन पन्नी तो ग्राफीन की सीवीडी विकास के लिए एक उत्प्रेरक सब्सट्रेट के रूप में कार्य करता है। ग्राफीन तो transferr हैPMMA के हस्तांतरण के माध्यम से एक एच बी एन / 2 Sio सब्सट्रेट पर एड। जिसके परिणामस्वरूप नमूना एक की गिरफ्तारी / एच 2 माहौल में साफ किया और (चित्रा 3) की विशेषता है। बाद में, यह एक वापस-गेटेड डिवाइस में इकट्ठा किया है।

नमूना एक वापस-गेटेड डिवाइस में इकट्ठा किया है, इससे पहले की graphene सतह एक ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप (चित्रा 3), रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी (3B चित्रा), और AFM (चित्रा -3 सी) की विशेषता है। एक ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप छवि के साथ, यह सफाई, निरंतरता, और पूरे नमूना भर graphene परतों की संख्या की जांच करने के लिए आसान है। रमन के स्पेक्ट्रम के साथ, परतों graphene और दोष स्तर की संख्या मैं जी की जांच के द्वारा मूल्यांकन किया जा सकता है:। मैं क्रमश: शिखर तीव्रता अनुपात और डी शिखर तीव्रता 2 डी 32 एक AFM छवि के साथ, विभिन्न विशेषताएं - सफाई, एकरूपता, सतह खुरदरापन, आदि। - नमूने की मज़बूती eval हो सकता हैएक छोटी लंबाई पैमाने (<500 एनएम) पर uated। एक अच्छा नमूना स्वच्छ, सतत, वर्दी में दिखाई देते हैं, और दोनों ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप और AFM छवियों के तहत monolayered चाहिए। मैं जी के 2 अनुपात: इसके अलावा, एक अच्छा नमूना एक न्यूनतम डी शिखर तीव्रता (कम से कम दोष की निशानी) और कम से कम 1 का प्रदर्शन करना चाहिए मैं रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी के तहत शिखर तीव्रता अनुपात (monolayer के एक हस्ताक्षर) 2 डी 32।

इस उपकरण में एक एसटीएम के तहत विशेषता जा सकता से पहले, एक एसटीएम टिप संभव के रूप में ज्यादा के रूप में नमूना की सतह राज्यों से एसटीएम टिप राज्यों दसगुणा एक ए.यू. पर (111) सतह calibrated किया जाना चाहिए। टिप अंशांकन के बिना, अंतर प्रवाहकत्त्व डि / DV स्पेक्ट्रम की वजह से टिप राज्यों और नमूना की सतह राज्यों के बीच एक मजबूत युग्मन के लिए जटिल दिखाई देगा: दूसरे शब्दों में, एक uncalibrated सिरे से लिया एसटीएम डेटा नमूने की अचल संपत्ति का प्रतिनिधित्व नहीं कर सकते हैं । टिप जांचना, एसटीएम टिप repetitively स्पंदित है / एक ए.यू. (111) surfac में pokedherringbone पुनर्निर्माण (चित्रा -4 ए) के एक उच्च संकल्प छवि जब तक ई प्राप्त किया जा सकता है और एक डि / DV स्पेक्ट्रम मानक एयू (111) डि / DV स्पेक्ट्रम (चित्रा 4 बी) के लिए तुलनीय प्रकट होता है। डि / DV स्पेक्ट्रम वी नमूना ≈ -0.5 वी, एयू (111) सतह राज्य की शुरुआत का प्रतिनिधित्व करता है, जिस पर एक तेज कदम का प्रदर्शन करना चाहिए। इसके अलावा, डि / DV स्पेक्ट्रम की graphene पर डि / DV माप प्रदर्शन जब कलाकृतियों के रूप में प्रकट हो सकता है जो कोई विषम चोटियों और dips, प्रदर्शन करना चाहिए।

टिप अंशांकन के बाद, नमूना की सतह एसटीएम के साथ जांच की है। चित्रा 5 ए के graphene और एच बी एन के जाली स्थिरांक में एक बेमेल से उत्पन्न होती है जो की graphene / एच बी एन, के लिए एक मौआ पैटर्न से पता चलता है। छोटे मोड़ कोण, ग्रेटर वेवलेंथ: एक मौआ पैटर्न की तरंग दैर्ध्य के graphene और अंतर्निहित एच बी एन lattices के बीच रोटेशन के कोण पर निर्भर करता है। मौआ patte की सूरत आर.एन. एक एच बी एन सब्सट्रेट पर साफ ग्राफीन की उपस्थिति की पुष्टि करता है। नमूना की सतह की जांच की है एक बार, सीए आयनों जिसका स्थलाकृति चित्रा 5 ब में दिखाया गया है graphene, पर जमा कर रहे हैं। एक मौआ पैटर्न छवि की पृष्ठभूमि में दिखाई देता है। एक बार आरोप लगाया सीए परमाणुओं को सफलतापूर्वक एसटीएम टिप कई से मिलकर कृत्रिम नाभिक का निर्माण छोटे समूहों में प्रत्येक डिमर धक्का द्वारा सीए dimers का आरोप लगाया जा सकता है, जमा कर रहे हैं। आरोप लगाया सह और सीए adatoms के लिए एसटीएम अध्ययन के परिणाम रेफरी में दिखाए जाते हैं। 2 और 3 और रेफरी। क्रमश: 4,।

चित्र 1
सी परत तार-संबंधों के माध्यम से एक गेट इलेक्ट्रोड को जोड़ता है, जबकि ग्राफीन नमूना थाली करने के लिए आधारित है। एक गेट-ट्यून करने योग्य है graphene डिवाइस के चित्रा 1. योजनाबद्ध। 2-5 इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

ntent "> चित्र 2
। चित्रा 2. प्रक्रिया गेट-ट्यून करने योग्य है graphene उपकरण निर्माण के schematics एक गेट-ट्यून करने योग्य है graphene डिवाइस fabricating के चरणों में शामिल हैं: एक electrochemically पॉलिश घन पन्नी पर 1) सीवीडी graphene के विकास, 2) - एक H- पर ग्राफीन की 5) PMMA स्थानांतरण बी एन / 2 Sio चिप, 6) ए.आर. / एच 2 annealing है, एयू / तिवारी संपर्क के 7) वाष्पीकरण, 8) एक UHV नमूना थाली पर बढ़ते, और 9) तार-संबंध। कृपया यहाँ क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए ।

चित्र तीन
चित्रा 3. एक graphene / एच बी एन / 2 Sio heterostructure के प्री-एसटीएम विशेषता। (ए) के graphene / एच बी एन / 2 Sio heterostructure। (बी) के ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप छवि रमन SPECTgraphene के / 2 Sio क्षेत्र के रम। ग्राफीन की रमन स्पेक्ट्रम (~ 1350 सेमी -1) डी द्वारा, जी (~ 1580 सेमी -1) की विशेषता है, और ग्राफीन की 2 डी (~ 2690 सेमी -1) चोटियों। 32 (सी) परमाणु बल सूक्ष्मदर्शी (AFM) छवि है / एच बी एन / 2 Sio क्षेत्र। यह छवि दोहन मोड AFM के साथ लिया ऊंचाई नक्शा है। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्रा 4
Au के Au के चित्रा 4. एसटीएम लक्षण वर्णन (111) एसटीएम टिप अंशांकन के लिए सतह। 31 (ए) स्थलाकृति (111) सतह। (बी) मानक डि / Au के dV स्पेक्ट्रम (111) सतह। कृपया यहाँ क्लिक करें एक बड़ा देखने के लिए इस आंकड़े के संस्करण।

<पी वर्ग = "jove_content"> चित्रा 5
Graphene के पर कूलम्ब अशुद्धियों की चित्रा 5. एसटीएम स्थलाकृति। Graphene के पर graphene / एच बी एन। 20,21 (बी) सीए adatoms के लिए (ए) मौआ पैटर्न। 4 यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

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Discussion

एसटीएम लक्षण वर्णन के लिए, graphene के उपकरण निर्माण के महत्वपूर्ण लक्ष्यों में शामिल हैं: 1) दोषों की एक न्यूनतम संख्या के साथ monolayer graphene के बढ़ रही है, 2) एक बड़े, स्वच्छ, वर्दी, और सतत है graphene सतह प्राप्त करने, 3) के बीच उच्च प्रतिरोध के साथ एक graphene डिवाइस कोडांतरण और graphene गेट (यानी, कोई "गेट रिसाव"), और 4) व्यक्तिगत कूलम्ब दोष जमा।

पहला लक्ष्य है graphene एक घन मीटर पन्नी पर बढ़ता है, जिसके दौरान सीवीडी प्रक्रिया से नियंत्रित होता है। कई सब्सट्रेट उम्मीदवारों (उदाहरण के लिए, नी, आरयू, आईआर, पंडित, सह, पीडी, आदि), कॉपर अच्छी तरह से इसकी वजह से बेहद कम कार्बन घुलनशीलता के लिए सबसे चुनिंदा monolayer graphene के उत्पादन के लिए जाना जाता है। 25 फिर भी, चुनिंदा बढ़ रही monolayer graphene के यद्यपि वहाँ अभी भी कारण कारकों की एक विस्तृत श्रृंखला के लिए मुश्किल है और असंगत हो सकता है। 22-25 विद्युत चमकाने निश्चित रूप से जी के लिए एक बेहतर सब्सट्रेट हालत प्रदान करता हैraphene विकास, हमारे AFM के अभिलक्षण घन सतह सूक्ष्म स्तर पर गैर वर्दी और किसी न किसी रहता है कि पता चला है। इसके अलावा, रासायनिक अवशेषों से प्रदूषण के स्तर को विफल करने के लिए पन्नी से भिन्न हो सकते हैं। एनीलिंग मापदंडों लगातार विकास के दौरान एक स्वच्छ और वर्दी घन सतह प्रदान करने के लिए आवश्यक हैं। हाइड्रोजन (~ 200 SCCM) के एक उच्च प्रवाह के साथ अपने गलनांक (1085 डिग्री सेल्सियस) के पास एक उच्च तापमान (1050 डिग्री सेल्सियस) पर कॉपर annealing बड़े घन डोमेन के साथ एक लगातार स्वच्छ और वर्दी घन सतह प्रदान करने के लिए लगता है। 22 विकास तापमान, दबाव शासन, और CH 4: दोषों की एक न्यूनतम संख्या के साथ monolayer graphene के प्राप्त किया जाता है जब तक एच 2 प्रवाह की दर अनुपात फिर व्यवस्थित अनुकूलित किया जा सकता है।

दूसरा गोल - एक बड़े, स्वच्छ, वर्दी, और सतत है graphene सतह प्राप्त - PMMA के हस्तांतरण और ए.आर. / एच 2 annealing द्वारा संचालित है। अलग graphene के लेनदेन के एक नंबर रहे हैं यद्यपिsfer तरीकों (जैसे, सूखा / PMMA PDMS स्थानांतरण 27, गीला PDMS स्थानांतरण 24, आदि।), FeCl 3 (ए क्यू) एचेंट समाधान 28 के साथ PMMA स्थानांतरण लगातार वर्दी / सबसे निरंतर graphene के सतहों प्राप्त हुए है। हालांकि, इस पद्धति के graphene सतह पर रासायनिक अवशेषों के एक उच्च घनत्व छोड़ देता है। इस समस्या को हल करने के लिए, स्पिन कोटिंग दर और समय पहले संभव के रूप में समान रूप में PMMA परत बनाने के लिए अनुकूलित किया गया। साथ ही, अति शुद्ध पानी स्नान के साथ कई सफाई चरणों का एक एच बी एन / 2 Sio चिप के साथ इसे बाहर मछली पकड़ने से पहले graphene है वापस सतह से रासायनिक अवशेषों को हटाने के लिए शुरू किए गए थे। एक ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप से देखा के रूप में इन प्रयासों से, अपेक्षाकृत साफ नमूने, लगातार स्थानांतरित कर दिया गया है। यह हमेशा PMMA की एक पतली परत के पत्तों के रूप में PMMA के हस्तांतरण विधि में कोई भिन्नता है, तथापि, पूरी तरह से graphene के सतह को साफ कर सकते हैं। एसटीएम अध्ययन एवं स्वच्छ क्षेत्रों की आवश्यकता होती है (एक atomically साफ सतह प्राप्त करने के लिए# 62; 100 एनएम 2), annealing प्रक्रियाओं की एक श्रृंखला प्रदर्शन किया जाना चाहिए। ए.आर. / एच 2 annealing के प्रभावी ढंग से PMMA परत के बहुमत को दूर कर सकते हैं। ए.आर. / एच 2 annealing के बाद, 29 की graphene सतह परिवेश में AFM (चित्रा 3) द्वारा निरीक्षण के तहत साफ प्रतीत होता है। फिर भी, परिवेश AFM के द्वारा undetectable एक पतली PMMA परत अभी भी दूर करने के लिए आगे सीटू UHV एनिलिंग में जो आवश्यकता है graphene सतह को शामिल किया गया। यह पोस्ट स्थानांतरण annealing के ही केवल एक अपेक्षाकृत अवशेषों से मुक्त सतह को साफ कर सकते हैं कि मन में रखने के लिए महत्वपूर्ण है; एक नमूना है परम सफाई मुख्य रूप से हस्तांतरण पर निर्भर करता है।

तीसरा गोल - किसी भी गेट रिसाव के बिना एक graphene डिवाइस कोडांतरण - पोस्ट-AR / एच 2 annealing के चरणों से नियंत्रित होता है। एक नमूना थाली पर डिवाइस बढ़ते जब विद्युत नीलमणि के गुच्छे के साथ नमूना थाली के बाकी हिस्सों से डिवाइस डिस्कनेक्ट करने के लिए, यह महत्वपूर्ण है; टी के बीच केवल बिजली के संपर्कवह थाली का नमूना और डिवाइस तार-बांड होना चाहिए। तार से संबंध अत्यधिक शक्ति गेट रिसाव को जन्म दे सकती (चाहे कैसे छोटे से) 2 Sio परत में फ्रैक्चर के किसी भी रूप के रूप में आपूर्ति की है अगर डिवाइस को तोड़ने के जोखिम का परिचय। तार से संबंध मापदंडों इस प्रकार समय से आगे अनुकूलित किया जाना चाहिए। गेट रिसाव डिवाइस में बल्कि एसटीएम चैम्बर भर में न केवल तब हो सकती है, क्योंकि समय और संसाधनों की एक बड़ी राशि की पहचान करने और रिसाव के स्रोत को ठीक करने के लिए बर्बाद किया जा सकता है। यह एक graphene डिवाइस कोडांतरण जबकि फाटक रिसाव के खतरे को कम करने के लिए महत्वपूर्ण है।

चौथा गोल - व्यक्तिगत कूलम्ब दोष जमा - बयान करने से पहले अंशांकन चरणों से नियंत्रित होता है। यह एक नियंत्रित बयान के लिए UHV परीक्षण के चैम्बर में बयान मानकों (और साथ ही बगल में घन मीटर (100) सतह पर) अनुकूलन करने के लिए आवश्यक है। बयान की पवित्रता को ध्यान से यादृच्छिक impu क्योंकि एक RGA के साथ मूल्यांकन किया जाना चाहिएrities QCM द्वारा मापा जमा दर तिरछा लेकिन यह भी अवांछित डोपिंग में परिणाम नहीं होगा ही। डिवाइस अचल एक अज्ञात अशुद्धता से डाल दिया गया गया है, Coulomb दोष करने के लिए है graphene प्रतिक्रिया undesirably बदला जा सकता है।

इन चुनौतियों का सामना करने के अलावा, एक एसटीएम अध्ययन कई मायनों में सीमित किया जा सकता है। एक अंतर चालकता माप में, यह पूरी तरह से नमूना राज्यों से टिप इलेक्ट्रॉनिक राज्यों दसगुणा करने के लिए असंभव है। यहां तक ​​कि एक अच्छी तरह से calibrated टिप के साथ, यह एक स्पेक्ट्रोस्कोपी सुविधा का मूल निर्धारित करने के लिए चुनौतीपूर्ण हो सकता है। इसके अलावा, सूचना UHV (10 -10 Torr) और एक टी = 4 में किए गए माप से प्राप्त कश्मीर कम आदर्श स्थितियों में संचालित उपकरणों के लिए प्रासंगिक नहीं हो सकता।

कहा जा रहा है, एसटीएम अन्य तकनीकों पर कई फायदे हैं। यह एक उच्च ऊर्जा संकल्प (कुछ एमईवी), लेकिन यह भी एक उच्च स्थानिक संकल्प (~ 10 बजे) ही नहीं है। तुलना के लिए, ARPES एक अपेक्षाकृत कम स्थानिक r गया हैesolution (उप माइक्रोन), लेकिन एक तुलनीय ऊर्जा संकल्प (कुछ एमईवी)। एसटीएम भी उपन्यास प्रभारी विन्यास बनाने के लिए एक डिवाइस पर अलग-अलग परमाणुओं की स्थिति में हेरफेर करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, यांग एक एसटीएम टिप के साथ एक वापस-गेटेड graphene के उपकरण पर आरोप लगाया सीए dimers की कृत्रिम नाभिक बनाया और graphene सतह पर एक परमाणु पतन राज्य की विशेषता। 4 मन में इन लाभ के साथ, एसटीएम सबसे शक्तिशाली में से एक अल। एट और एक अच्छी तरह से नियंत्रित वातावरण में विभिन्न perturbations के ग्राफीन की स्थानिक निर्भर प्रतिक्रिया निस्र्पक के लिए विश्वसनीय तकनीक।

कूलम्ब अशुद्धियों के साथ जमा गेट-ट्यून करने योग्य graphene उपकरणों की एसटीएम पढ़ाई मौलिक सिद्धांतों के परीक्षण के लिए, लेकिन यह भी संकर graphene के डिवाइस अनुप्रयोगों को समझने के लिए न केवल मूल्यवान हैं। वे प्रयोगात्मक काफी अलग beha दिखा रहे हैं जो उपन्यास प्रणालियों में massless डिराक फरमिओन्स के व्यवहार के बारे में मौलिक भविष्यवाणियों सत्यापित कर सकते हैंvior पारंपरिक प्रणालियों में वाहकों चार्ज करने के लिए की तुलना में। 15-18 इसके अलावा, इस तरह के अध्ययन आपेक्षिकीय शासनों में चार्ज वाहक का एक गहरी समझ की ओर जाता है जो graphene है सबसे अप्रत्याशित विशेषताओं 4, के कुछ प्रकट कर सकते हैं। Graphene के सिस्टम संकर graphene उपकरणों के गुणों के सटीक ट्यूनिंग के लिए अत्यधिक लाभकारी होगा कि सरकार शारीरिक कानूनों में नए अंतर्दृष्टि। 2-5

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Acknowledgments

हमारे शोध से कोई अनुबंध के तहत निदेशक, विज्ञान के कार्यालय, ऊर्जा SP2 कार्यक्रम विभाग के अमेरिका के मूल ऊर्जा विज्ञान के कार्यालय द्वारा समर्थित किया गया। डे-AC02-05CH11231 (एसटीएम इंस्ट्रुमेंटेशन विकास और डिवाइस एकीकरण); नौसेना अनुसंधान (युक्ति लक्षण वर्णन) के कार्यालय, और NSF पुरस्कार नहीं। सीएमएमआई-1235361 (डी / DV इमेजिंग)। एसटीएम डेटा का विश्लेषण किया और WSxM सॉफ्टवेयर का उपयोग कर गाया गया था। 33 DW और ए जे बी नेशनल डिफेंस साइंस एंड इंजीनियरिंग ग्रेजुएट फैलोशिप (NDSEG) प्रोग्राम के माध्यम से रक्षा विभाग (DoD), 32 सीएफआर 168a द्वारा समर्थित थे।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Cu foil Alfa Aesar CAS # 7440-50-8
Lot # F22X029
Stock # 13382		 99.8% Cu
Scotch Magic Tape Scotch® N/A for exfoliation of hBN
PMMA Micro Chem M23004 0500L 1GL A4
FeCl3 resistant spoon Bel-Art ScienceWare 367300015 PTFE coated double ended chemical spoon, 15 cm length
FeCl3 (aq) Ricca Chemical 3127-16 40% w/v
SiO2/Si(100) Chip NOVA Electric Materials HS39626-OX n/a
h-BN K. Watanabe and T. Taniguchi Group Contact the group hexagonal Japanese BN (JBN)
Au(111) Agilent Technologies N9805B-FG Au(111) epitaxially grown on mica
Sapphire Precision Ferrites & Ceramic, Inc. Contact vendor 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 Contact vendor Cu(100) single crystal
Methane Praxair, Inc. ME 5.0RS-K Graphene growth precursor gas
Hydrogen Praxair, Inc. HY 6.0RS-K Graphene growth precursor gas

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References

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इंजीनियरिंग अंक 101 भौतिकी graphene इलेक्ट्रोस्टैटिक gating स्कैनिंग टनलिंग सूक्ष्मदर्शी (एसटीएम) Coulomb अशुद्धता रासायनिक वाष्प जमाव (सीवीडी) पाली (मिथाइल methacrylate) (PMMA) स्थानांतरण तार संबंध
कूलम्ब अशुद्धियों के साथ स्कैनिंग टनलिंग सूक्ष्मदर्शी अध्ययन के लिए गेट-ट्यून करने योग्य ग्राफीन उपकरणों का निर्माण
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