Изготовление ворот-перестраиваемых графена устройств для сканирующей туннельной микроскопии исследований с кулоновских примесей

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
Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

Welcome!

Enter your email below to get your free 10 minute trial to JoVE!





By clicking "Submit", you agree to our policies.

 

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

Jung, H. S., Tsai, H. Z., Wong, D., Germany, C., Kahn, S., Kim, Y., et al. Fabrication of Gate-tunable Graphene Devices for Scanning Tunneling Microscopy Studies with Coulomb Impurities. J. Vis. Exp. (101), e52711, doi:10.3791/52711 (2015).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Благодаря своим релятивистских носителей заряда с низким уровнем энергии, взаимодействие между графена и различных примесей приводит к богатству новой физики и степеней свободы для управления электронными устройствами. В частности, поведение носителей заряда графена в ответ на потенциалов от заряженных примесей кулоновских, по прогнозам, значительно отличаются от большинства материалов. Сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) и сканирующей туннельной спектроскопии (СТС) может предоставить подробную информацию как о пространственной и энергетической зависимости электронной структуры графена в присутствии заряженной примеси. Дизайн гибридного примесей-графен устройства, изготовленных с использованием контролируемого осаждения примесей на задней закрытого поверхности графена, позволило несколько новых методов для электронных свойств контролируемого Тюнинг графена. 1-8 Электростатический стробирования позволяет контролировать плотность носителей заряда в графене и способность REVERSIБлай настроить заряд 2 и / или молекулярные 5 состояний примеси. Эта статья описывает процесс изготовления ворот с перестраиваемой графена устройства украшен отдельных примесей кулоновских для комбинированных СТМ / СТС исследования. 2-5 Эти исследования дают ценные идеи в основную физики, а также указания для проектирования гибридных графеновых устройств.

Introduction

Графен представляет собой двумерную материал с уникальной линейной зонной структуры, что приводит к его исключительных электрических, оптических и механических свойств. 1,9-16 Его носители заряда с низким потреблением энергии описываются как релятивистских, безмассовых фермионов Дирака 15, чьи поведение существенно отличается от нерелятивистской носителей заряда в традиционных системах. 15-18 Контролируемые осаждение различных примесей на графене обеспечивает простой, но универсальную платформу для экспериментальных исследований реакции этих релятивистских носителей заряда в диапазоне возмущений. Исследования таких систем показывает, что графен примеси могут переложить химический потенциал 6,7, изменять эффективную диэлектрическую постоянную 8, и, возможно, приведет к электронным опосредованной сверхпроводимости 9. Многие из этих исследований 6-8 Наймите электростатического стробирования в качестве средства для настройки свойств гибридного impuritу-графен устройство. Электростатический стробирования может сдвинуть электронную структуру материала по отношению к уровню Ферми без гистерезиса. 2-5 Кроме того, путем настройки заряда 2 или молекулярный 5 состояния таких примесей, электростатической стробирования может обратимо изменять свойства гибридной примесей-графена Устройство.

Back-гейт графена устройство обеспечивает идеальную систему для расследования сканирующей туннельной микроскопии (СТМ). Сканирующий туннельный микроскоп состоит из острым металлическим наконечником, состоявшейся несколько ангстрем от проводящей поверхности. Применяя уклон между зондом и поверхностью, электроны туннеля между ними. В наиболее общем режиме, режиме постоянного тока, можно сопоставить топографию поверхности образца Растровое сканирование наконечник вперед и назад. Кроме того, местные электронная структура образца может быть изучен путем исследования дифференциальной проводимости DI / DV спектра, которая пропорциональна локальной деnsity государств (ЛПС). Это измерение часто называют сканирующей туннельной спектроскопии (STS). По отдельности контроля смещения и обратно затвором напряжения, ответ графена примесей могут быть изучены с помощью анализа поведения этих спектров DI / DV. 2-5

В этом докладе, изготовление задней закрытого графена устройства, украшенной кулоновских примесей (например, заряженные атомы Ca) изложена. Устройство состоит из элементов в следующем порядке (сверху вниз): адатомов кальция и кластеров, графена, гексагонального нитрида бора (ч-BN), диоксид кремния (SiO 2), и объемного кремния (рис 1). ч-BN является изолирующая тонкая пленка, которая обеспечивает атомно плоский и электрически однородной подложки для графена. 19-21 ч-BN и SiO 2 акт в качестве диэлектрика и основная Si служит задней ворот.

Для изготовления устройства, графен впервые вырос на electrocheрифмически полированной меди фольги 22,23, который действует в качестве чистого каталитической поверхности для химического осаждения из паровой фазы (CVD) 22-25 графена. В роста сердечно-сосудистых заболеваний, метан (СН 4) и водород (Н 2) газы-предшественники подвергаются пиролизу с образованием доменов графеновыми кристаллов на фольге Cu. Эти домены растут и в конце концов сливаются, образуя поликристаллического листа графена. 25 результате графен переносится на целевой подложке, / SiO 2 ч чип-BN (полученного с помощью механического пилинга 19-21 ч-BN на SiO 2 с / Si (100) чип), с помощью поли (метилметакрилат) (ПММА) передачи. 26-28 В передаче ПММА, графен на Cu сначала спин-покрыта слоем ПММА. ПММА / графен / образец Cu то плавает на решение травильного (например, FeCl 3 (ая) 28), который разъедает прочь Cu. Непрореагировавший образец ПММА / графен ловили с чипом ч-BN / SiO 2 и впоследствииочистке в органическом растворителе (например, CH 2 Cl 2) и Ar / Н 2 среда 29,30, чтобы удалить слой ПММА. Полученную графен / ч-BN / SiO 2 / Si Затем образец проволоки соединены с электрическими контактами на сверхвысоком вакууме-(СВВ) образца плиты и отжигают в камере сверхвысокого вакуума. Наконец, графен устройство на хранение в месте с кулоновских примесей (например, заряженные атомы Ca) и изучены СТМ. 2-5

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Электрохимический Полировка Cu фольги 22,23

Примечание: Электрохимическое полирование подвергает обнаженной поверхности Cu роста графеновом удалением защитной поверхности покрытия и контролирует плотность семян роста.

  1. Готовят раствор электрохимической полировки путем смешивания 100 мл сверхчистой воды, 50 мл этанола, 50 мл фосфорной кислоты, 10 мл изопропанола и 1 г мочевины.
  2. Вырезать Cu фольгу на несколько см 3 на 3 см пленки. Примечание: В каждом из фольги служит либо в качестве анода или катода.
  3. Установите анодный / катод, закрепляя фольгу Cu вертикально с держателем и подключения его к соответствующему разъему питания.
    Примечание: анод (положительный полюс) будет электрохимически полированный для роста графена.
  4. Перед началом полировки, установить постоянное напряжение 4,8 V в источнике питания.
  5. Включите питание, как только в качестве анода и катода одновременно погружают в electrochemiкал полировки решение. Отделите электродов около 2 см. Убедитесь, что результирующий ток между 1-2 А.
  6. Стоп электрохимической полировки после 2 мин путем выключения питания. Выньте анод и немедленно промыть его отдельно с ультра-чистой воды, ацетона и изопропанола.
  7. Сушить промыть Cu фольгу с N 2 газа и хранить его в сухом контейнере.

2. химического осаждения паров (CVD) из графена на медной фольге 22-25

  1. Поместите кварцевую трубку в CVD печи и соединить трубу с остальной частью газовой линии с KF арматуры.
  2. Поместите электрохимически полированный Cu фольгу в верхней части кварцевую лодочку. Использование длинный стержень, нажать кварцевую лодочку в кварцевую трубку до тех пор, пока пленка Cu помещается в центре CVD печи. Приложите систему с KF арматуры.
  3. Откачка системы с черновой насоса. Продуйте систему H 2.
  4. Нарастить температуру до 10506; С с 200 SCCM Н 2. Отжиг при 1050 ° С с тем же потоком газа в течение 2 часов.
    Примечание: Температура измеряется с помощью встроенного типа K термопары в трубчатой ​​печи.
  5. Охладить до 1030 ° С с той же газового потока. Растут графена в течение 10 мин с 40 SCCM CH 4 и 10 SCCM H 2.
  6. Как только рост закончится, открыть капот печи быстро остыть ущерба. Имейте же поток газа.
  7. После того, как температура ниже 100 ° C, выключите подачу газа.
  8. Выключите насос. Удалить воздух из системы с N 2 газа, медленно открывая дозирующий клапан между газовой линии и газовой цилиндра N 2.
  9. Выньте образец. Вырезать фольги Cu на куски требуемых размеров.
  10. Хранить образцы в сухом контейнере внутри эксикаторе.

3. Механическая Пилинг 19-21 ч-BN на ± 2 SiO Chip

  1. Очистите чип в SiO 2. Примечание: SЮ 2 чип состоит из примерно 285 нм SiO 2 слоя на вершине массы Si.
    1. Вырезать SiO 2 пластины в 1 см на 1 см чипов с использованием алмазного писца.
    2. Промойте чип SiO 2 с воды и изопропанола. Держите SiO 2 поверхности, покрытой водой / изопропанола после каждого полоскания.
    3. Поместите чип SiO 2 на спин нанесения покрытий для удаления жидкости с ее поверхности. Спин чип с 3000 оборотов в минуту в течение 15 сек.
    4. Проверка чистоты чипа под оптическим микроскопом с установкой темнопольном. Примечание: В обстановке темного поля, твердые примеси появляются как яркие частицы.
  2. Поместите чистую SiO 2 чип, пилинг ленту, и ч-BN кристалл на чистый стол с помощью оптического микроскопа.
  3. Подготовьте две полоски ленты: родительский ленты и второй ленты. Место и на столе со своими липкими сторонами до. Поместите кристалл ч-BN на липкой стороне материнской ленты.
  4. Поместите STicky сторона второй ленты над H-BN кристалла на материнской ленты (так, чтобы липкие стороны второго и родительских лент соприкасаются). Натрите на кристалл осторожно, чтобы удалить пойманные в ловушку воздушные пузыри.
  5. Кожица второй ленту с отслаивается кристалл ч-BN на второй ленте. Храните родительский ленту для использования в будущем.
  6. Сложите второй ленты на себя, мягко втереть по кристаллу, и снимите пленку. Повторите этот процесс в 10 раз, складывая второй ленты так, чтобы кристаллы H-BN передаются свежий области второго ленты каждый раз.
  7. Поместите чистую SiO 2 чип под микроскопом. Придерживайтесь область второй ленты, содержащей кристалл ч-BN на чипе SiO 2. Убедитесь, что лента также придерживается микроскопа стенда для обеспечения чип в ходе предстоящего этапа пилинга.
  8. Медленно снимите пленку, мониторинг процесса под микроскопом. Как лента почти снимают, использовать пинцет, чтобы удерживать SiO 2
  9. После того, как лента снята, поместите чип внутри CVD печи. Отжиг чип на воздухе при 500 ° С в течение 2 ч.

4. Поли (метилметакрилат) (ПММА) 26-28 Перенос графена на час-BN / SiO 2

  1. Положите одну каплю ПММА (A4) на графене / Cu / графена фольги. Спин-пальто фольга с 3000 оборотов в минуту 30 сек. Примечание: В FeCl 3 (водный) разъедает прочь слой Cu в течение предстоящего этапа травления, задняя графен будет падать, а / слой графена ПММА останется непрореагировавший (Рисунок 2).
  2. Использование устойчивый ложку FeCl 3, пусть спин-покрытием Cu фольги поплавок на следующих решений в следующем порядке: 1,5 мин на FeCl 3 (водн), 5 мин ультра-чистой воды, 1 мин FeCl 3 (водный), 5 мин ультра-чистой воды, 15 мин на FeCl 3 (водный), 5 мин на ультра-чистой воды, 5 мин на ультра-чистого водоснаг, и 30 мин ультра-чистой воды. Подготовка каждого ванну воды сверхчистых в отдельном стакане.
  3. Рыба ПММА / графена образца с 2 чипа ч-BN / SiO. Поместите его на горячей плите при 80 ° С в течение 10 мин для удаления воды и при 180 ° С в течение 15 мин для отдыха 27 пленки ПММА.
  4. Поместите / графена / ч-BN / SiO 2 чип ПММА в CH 2 Cl 2 O / N, чтобы растворить ПММА слой.

5. Ar / Н 2 отжига 29,30

  1. Поместите кварцевую трубку на CVD печи и соединить трубу с остальной частью газовой линии с KF арматуры.
  2. Поместите графена / BN / SiO 2 чип на кварцевую лодочку. Использование длинный стержень, нажать кварцевую лодочку в кварцевую трубку, пока чип не помещается в центре CVD печи. Приложите систему с KF арматуры.
  3. Откачка системы с черновой насоса. Продуйте систему H 2 и Ar.
  4. Создайте давление до 1 атм 100 SCсм Н 2 и 200 SCCM Ar дозирующим клапаном. Как только давление достигает 1 атм, регулировать размер апертуры дозирующего клапана, чтобы стабилизировать давление при 1 атм.
  5. Разгон температуру до 350 ° С и отжига в течение 5 ч с тем же газового потока.
  6. Охладить до комнатной температуры с той же газового потока.
  7. После того, как температура ниже 100 ° C, выключите подачу газа. Закройте все клапаны.
  8. Выключите насос. Удалить воздух из системы с N 2 газа, медленно открывая дозирующий клапан между газовой линии и газовой цилиндра N 2.
  9. Выньте образец. Проверьте количество слоев графена и уровень дефекта с спектроскопии комбинационного рассеяния света 32. Проверьте его чистоту / единообразия при оптическом микроскопе. Сканирование нескольких областях, которые появляются в чистоте под оптическим микроскопом с атомно-силового микроскопа (АСМ), чтобы гарантировать, что образец появляется чистый / форму на небольшом масштабе длины (<500 нм), а также.
  10. Храните его в сухом контейнере внутриэксикатор.

6. Сборка ворота перестраиваемого Графен устройство для измерения STM 2-5

  1. Выпарить по 50 мкм 50 мкм Au / Ti контактную площадку на Ar / H 2 -annealed CVD графена / ч-BN / SiO 2 образца.
    1. Лента образец на сцену на вершине микроманипулятора.
    2. В то время как мониторинг с помощью оптического микроскопа, выравнивание трафарета маски с использованием графена микроманипулятора так что контакт Au / Ti будут депонированы вблизи области, представляющей интерес, без покрытия поверхности.
    3. Передача образца с трафарета маски с электронно-лучевой испаритель. Выпаривают 10 нм Ti на 3 а / сек. Засыпать слой Ti путем выпаривания 30-50 нм Au на 3 а / сек в той же сессии испарения, не нарушая вакуума. Примечание: В качестве альтернативы, 1 нм Cr является хорошей заменой для 10 нм Ti.
    4. Передача образца с трафарета маски обратно в микроманипулятора для удаления сцену.
  2. <LI> Гора образец на ультра-высокого вакуума (СВВ) образца пластины.
    1. Место тонкий кусок сапфира на пластины образца СВВ. Примечание: сапфир выступает в качестве изолирующего слоя, который предотвращает электрический контакт между землей и Si СТМ. Кроме того, сапфир является отличным проводником тепла с целью выборки отжига.
    2. Поместите образец на верхней части сапфира. Поместите еще один тонкий кусок сапфира на образце. Убедитесь, что сапфир не покрывают поверхность графена.
    3. Закрепите структуру сапфир / образец / сапфир с металлическим зажимом. Убедитесь, что вся структура является жесткой, либо он будет вибрировать внутри СТМ.
  3. Провод-облигаций образца пластины терминалы СВВ присваивать контактам на графеновой устройства. Примечание: Осажденные Au / Ti электродов проволоки соединены с землей, а основная си проволоки соединен с электродом затвора (фиг.1).
    1. Поместите образец на установленный заземленной стадии провод-соединения.
    2. Определить местоположение контактов Au / Ti с помощью оптического микроскопа.
    3. Включите проволочной-тычковых. Если провод-тычковый пневматический, включите N 2 газа. Установите провод-связующие вещества, чтобы сделать две связи.
    4. Использование проволоки сцепления руку, поместить кончик проволоки для скрепления на вершине соответствующего терминала на образце пластины СВВ. Перемещение вниз и плавно нажмите кончик проволоки для скрепления на терминал до проволоки полуторный не означает, что склеивание закончено.
    5. Автор провод к контакту Аи / Ti на графеновой устройства. Перемещение вниз и плавно нажмите кончик проволоки для скрепления на контакт Au / Ti до проволоки полуторный не означает, что склеивание закончено.
    6. Используйте алмазный писца, чтобы соскоблить некоторые SiO 2 на краю чипа SiO 2 подвергать Si, который будет использоваться в качестве резервного ворот. Повторите процесс с двумя сцепления для открытой Si.
    7. Вставьте образец в СВВ (10 -10 Торр) Подготовка камеры и отжига проволоки связями гraphene устройство около 300 ° С. Передача устройство к камере STM.
      Примечание: графен устройство должно быть отжигали до его поверхность не кажется чистой под СТМ (см 8 Протокола).. Время отжига будет варьироваться в зависимости от чистоты исходного устройства.

7. СТМ Калибровка на Au (111) поверхности 31

  1. Отжиг / распыления в Au (111) образец на стадии нагревателя в камере сверхвысокого вакуума для очистки / сгладить поверхность Au. Отжиг в течение 5 мин при 375 ° С, и брызгать слюной в течение 5 мин с Ar + пучок, ускоренный до 500 В. Передача Au (111) образец в стадии сканирования СТМ.
  2. Подойдите к Au (111) поверхности с СТМ. Применить 10 V импульсы на СТМ до достижения Au (111) реконструкции елочкой четко виден.
  3. Калибровка наконечник, регулируя форму наконечника и сравнения дифференциальная проводимость DI / DV спектр стандартной Au (111) DI / DV спектра. 31
  4. Сканирование Au (111) поверхности с 40 нм на 40 нм кадра, чтобы определить чистую плоскую поверхность /. Если поверхность имеет высокую плотность краях ступеней, перейти к новой области для сканирования.
  5. Аккуратно разбить иглы СТМ 0,4 до 1,0 нм в чистой области поверхности (111) Au; это контролируется грохот называют кнопки "тыкать". Выключите обратной связи и нажмите "Принять" спектроскопия принять спектр DI / DV с помощью блокировки в на текущий ответ переменного тока, модулированного напряжения (6 мВ и 613,7 Гц) добавлен в смещении наконечника.
    Примечание: После того, как переменного модулированного напряжения (6 мВ и 613,7 Гц) обеспечивается на кончике, в результате туннельного тока идет в усилитель блокировки в, который изолирует компонент тока с той же частотой и возвращает сигнал DI / DV. По записи этого сигнала в качестве смещения образца прокатилась от -1.0 до 1.0 В, ди / DV спектр генерируется. Потому что это спектроскопии программа домашний написано, инструкция для принятияспектроскопии будет различаться в зависимости от программы.
  6. Проверьте полученный DI / DV кривую против стандартной Au (111) DI / DV спектр (рис 4). Убедитесь, что Аи (111) Государство присутствует в / DV кривой DI и спектр отсутствует любой аномальной функции. Если измеренная кривая Di / DV не является приемлемым, повторите тыкают в шаге 7.3.2 до кривой DI / DV выглядит так, как показано на рисунке 4.
  7. После того, как форма наконечника и ди / DV спектра оптимизированы, подождите от 15 до 30 мин; если игла СТМ является неустойчивым, ди / DV спектр будет меняться в течение этого интервала времени. Пересдача спектр DI / DV в другом месте, чтобы подтвердить, действительно ли игла СТМ стабильно или нет.
  8. Повторите тыкают в шаге 7.3.2, если DI / DV кривая изменилась. Продолжить сканирование графена, если DI / DV кривая остается неизменной.

8. Сканирование Графен

  1. Трansfer графена устройство к стадии сканирования СТМ.
  2. Используйте междугородный оптический микроскоп, чтобы увидеть кончик СТМ и графена устройства. После согласования с боков наконечник и ч-BN хлопья интересов, подойти к графена.
  3. Начните сканирование 2 нм на 2 нм области. Медленно увеличить окно сканирования до 5 нм до 5 нм, 10 нм, 10 нм, 15 нм до 15 нм, 20 нм, 20 нм и т.д.. Если большая примесь (> 100 мкм в высоту) встречается, снять наконечник и перейти в другую область.
  4. Возьмите спектр DI / DV и сравнить со стандартной Di / DV спектра на графеновой / ч-BN подложки (см. 21). Если спектр не сопоставимы, калибровки наконечник на Аи (111) поверхности (см. 7 Протокола).
  5. Сканирование нескольких областях, чтобы получить представление о том, как часто большая примесь (> 100 мкм в высоту) встречается. На основе этих статистических, вывести чистоту образца.

9. депонированием кулоновские Примеси на графеновых Surfacе 2-4

  1. Получить источник Ca. Калибровка испарение атомов Са с помощью анализатора остаточного газа (RGA) и кристалла кварца (МККМ) в испытательной камере сверхвысокого вакуума. Примечание: РГА оценивает чистоту Ca месторождения, а QCM измеряет скорость осаждения Ca.
    1. Запуск ток через источник кальция.
    2. Увеличьте ток до парциального давления Ca 10 -10 Торр обнаружен в масс-спектре РГА. Будьте в курсе о том, что Са и Ar имеют одинаковую массу и, следовательно, неразличимы в РГА.
    3. Измерьте скорость осаждения Ca (слой / сек) с QCM.
      1. Ввод плотности (например, 1,55 г / см 3 для Ca иона) месторождения преобразовать значение сдвига частоты осаждением скорость.
      2. Монитор скорости осаждения для QCM читает скорость осаждения в / с; преобразовать это слой / сек, предполагая, что толщина монослоя равна ионной диаметра (например, 0,228 Å для Са ионов) Месторождения.
    4. Определить оптимальный ток, регулируя ток до монитор скорость осаждения не указывает требуемую скорость осаждения (например, 3,33 х 10 -5 слой / сек).
  2. Учитывая скорость осаждения (например, 3,33 х 10 -5 слой / сек) на шаге 9.1.3, рассчитать время (в секундах) при сдаче на хранение требуемого количества (например, 0,01 монослоя) ок В STM, хранение Ca на Cu (100) поверхности в месте с оптимальной настройке тока от шага 9.1.3. Проверьте освещение и чистота Са пост осаждения Cu (100) с STM (см шаг 8,5); калибровки текущую настройку, пока Cu (100) условие, при STM не появится, как ожидалось.
    Примечание: осаждения параметры оптимизированы на Cu (100) первого свести к минимуму риск загрязнения графена устройство с плохо контролируемой осаждения.
  3. Передача графена устройство к СТМ для осаждения месте в4 К.
  4. Депозит заряженные атомы Ca на поверхности графена.
    1. Перед сдачи Ca графена, outgass источник Ca. Медленно увеличивайте ток на источник на 0,25 A каждый 5-10 мин, пока требуемый ток в шаге 9.2 не будет достигнута. Закрыть затвор между графена и источника кальция для предотвращения загрязнений обезгажены от достижения графена.
    2. Пусть поток испарения стабилизироваться в течение 20 мин перед открытием затвора.
    3. Откройте затвор и депозит желательно (например, 0,01 монослоя) количество Са ионов на поверхности графена. Убедитесь, что графен устройство имеет линии прямой видимости с источником Са. Убедитесь, что игла СТМ находится вне линии прямой видимости источника Ca, чтобы предотвратить атомов Са от прилипания к СТМ.
  5. Проверьте освещение Ca и чистоту после осаждения поверхности графена с STM (см Шаг 8.5). Обратитесь к работе. 2, 3 и 4 для дальнейшей протокола исследования кулоновских примесей на графене.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

На фиг.1 показана схема задней закрытого графеновом устройства. Провод-склеивания Au / Ti контакт в СВВ образец пластина оснований графена электрически, в то время как провод-склеивание Si основная к электроду, который подключается к внешней цепи обратные ворота устройств. По-обратно стробирования устройство, заряд состояние примеси кулоновского на данном образце смещения (который управляется с помощью СТМ) могут быть настроены в другое состояние заряда. 2-4

Рисунок 2 описывает шаги для изготовления ворот с перестраиваемой графена устройства. Cu фольги сначала электрохимически полированный удалить свою защитную поверхность покрытия и изменять свою плотность семян роста. 23,24 После электрохимической полировкой, фольга Cu должна появиться невооруженным глазом блестящими, чем раньше, поскольку его поверхность должна стать гладкой. Электрохимически полированной меди фольги затем действует в качестве каталитического субстрата для роста CVD графена. Графен то transferrред на Н-BN / SiO 2 подложке через ПММА передачи. Полученный образец очищают в Ar / H 2 атмосферы и характеризуется (рисунок 3). Впоследствии она собирается в задней закрытого устройства.

Перед образец собран в задней закрытого устройства, поверхность графена характеризуется оптическим микроскопом (Фиг.3А), спектроскопии комбинационного рассеяния (рис 3b), и АСМ (Рис 3C). С помощью оптического микроскопа изображение, то легко проверить чистоту, непрерывность и количество слоев графена по всему образцу. С спектре комбинационного рассеяния, число графеновых слоев и уровня дефекта может быть оценена путем изучения I G:. Я 2D соотношение пиковой интенсивности и D пиковой интенсивности, соответственно 32 С АСМ-изображения, различные признаки - чистота, однородность, шероховатость поверхности, и т.д.. - Пробы могут быть надежно Evalкой из в небольшом масштабе длины (<500 нм). Хорошим примером должны появиться чистый, непрерывный, единой, и однослойное при обоих оптический микроскоп и АСМ-изображений. Кроме того, хорошим примером должны показывать минимальное D пиковой интенсивности (знаком минимального дефекта) и меньше, чем 1: 2 соотношение I G: Я 2D соотношение интенсивности пика (знак монослоя) при спектроскопии комбинационного рассеяния света 32.

Перед устройством можно охарактеризовать под СТМ, игла СТМ должны быть откалиброваны на Au (111) поверхности, чтобы отделить СТМ государства от поверхностных состояний в образце столько, сколько возможно. Без калибровки наконечника, дифференциальная проводимость Di / DV спектр будет выглядеть запутанным из-за сильной связи между наконечником государств и поверхностных состояний образца: другими словами, данные СТМ, взятые из неоткалиброванного наконечника не может представлять реальную собственность образца , Для калибровки наконечник, наконечник СТМ импульсно / ткнул в Au (111) Surfacе до высокой разрешение изображения реконструкции елочку (рис 4а) могут быть получены и спектр Di / DV появляется сравнимо со стандартным Au (111) DI / DV спектр (рис 4В). Спектр Di / DV должны проявлять острый шаг на V образца ≈ -0.5 V, который представляет наступление Au (111) поверхности состояния. Кроме того, спектр Di / DV не должно быть ни аномальные пики и провалы, которые могут появиться как артефакты при выполнении измерений DI / DV графена.

После калибровки наконечника, поверхность образца рассматривается с СТМ. показывает муар для графена / ч-BN, который возникает из-за несовпадения постоянных решетки графена и ч-BN. Длина волны муар зависит от угла поворота между графена и основных решеток ч-BN: чем меньше угол закручивания, больше длины волны. Появление муара Патти р-н подтверждает наличие чистой графена на Н-BN подложки. После того, как поверхность образца исследуют, ионы Ca осаждают на графене, чей рельеф показано на фиг.5В. Муара появляется на фоне изображения. После того, как заряженные атомы Ca успешно хранение, СТМ можно построить искусственный ядра, состоящие из многозарядных Ca димеры, нажав каждый димер в небольших кластеров. СТМ Результаты исследования заряженных Со и Са адатомов показаны в работе. 2 и 3 и реф. 4, соответственно.

Фигура 1
Рисунок 1. Схема затвора перестраиваемого графена устройства. Графен заземленной к пластине образца, а Si слой соединяется с электродом затвора через проводной связи. 2-5 Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

ntent "> Рисунок 2
. Рисунок 2. Процесс схемы изготовления графена устройства ворот перестраиваемого Этапы изготовления ворот с перестраиваемой графена устройства включают в себя: 1) рост сердечно-сосудистых заболеваний графен на электрохимически полированной меди фольги, 2) - 5) передача ПММА графена на в Н- BN / SiO 2 чип, 6) Ar / Н 2 отжига, 7) испарение Au / Ti контакта, 8) монтажа на качестве образца пластины СВВ и 9) проволоки склеивание. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры ,

Рисунок 3
Рисунок 3. Предварительно-СТМ характеристика из графена / ч-BN / SiO 2 гетероструктуры. () Оптический микроскоп изображение графена / ч-BN / SiO 2 гетероструктуры. (B) комбинационного ОФЭКТром графена / SiO 2 региона. Спектр комбинационного рассеяния графена характеризуется D (~ 1350 см -1), G (~ 1580 см -1), и 2D (~ 2690 см -1) пики. 32 (С) Атомно-силовой микроскоп (АСМ) изображения графена / ч-BN / SiO 2 область. Это изображение карта высот принято с выпускного режиме АСМ. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 4
Рисунок 4. СТМ характеристика Au (111) для калибровки СТМ зонда. 31 () Топография Au (111). (B) Стандартный Di / DV спектр Au (111). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы смотреть больше Версия этой фигуры.

<р = класс "jove_content"> Рисунок 5
Рисунок 5. СТМ Топография кулоновских примесей на графене. () Муар шаблон для графеновых / ч-BN. 20,21 (В) Са адатомов на графене. 4 Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Для СТМ характеристики, критические цели изготовления графена устройства включают в себя: 1) растет монослоя графена с минимальным количеством дефектов, 2) получение большой, чистый, однородный, и непрерывную поверхность графена, 3) монтаж графена устройство с высоким сопротивлением между графен и ворота (то есть, нет "утечки ворота"), и 4) нанесение отдельных примесей Кулона.

Первая цель регулируется в процессе CVD, в течение которого графен растет на фольге Cu. Хотя существует множество кандидатов субстрата (например, Ni, Ru, Ir, Pt, Co, Pd, и т.д.), Cu Известно производить однослойную графена наиболее избирательно из-за его чрезвычайно низкой растворимости углерода. 25 Тем не менее, избирательно растет монослой графена все еще ​​может быть трудным и несовместимы из-за целого ряда факторов. 22-25 Хотя электрохимическое полирование, конечно, обеспечивает лучшее состояние субстрата для гРост raphene, наши АСМ характеризации показали, что поверхность Cu остается неоднородным и грубо на микроскопическом уровне. Кроме того, уровень загрязнения от химических остатков может варьироваться от фольги, чтобы сорвать. Параметры отжига имеют важное значение для обеспечения неизменно чистое и однородную поверхность Cu во время роста. Отжиг Cu при высокой температуре (1050 ° С) вблизи точки плавления (1085 ° C) с высоким потоком водорода (~ 200 SCCM), кажется, обеспечивает чистое и последовательно однородную поверхность Cu с большими Cu доменов. 22 Рост Температура, давление режим, и СН 4: отношение скорости потока 2 ч, затем можно систематически оптимизированы до монослоя графена с минимальным количеством дефектов не будет получена.

Вторая цель - получение большой, чистый, однородный, и непрерывную поверхность графена - регулируется путем передачи ПММА и Ar / H 2 отжига. Хотя есть ряд различных графена Транметоды SFER (например, сухой ПММА / PDMS передачи 27, мокрый PDMS передачи 24, и т.д.)., передача ПММА с FeCl 3 (водный) травильного раствора 28 последовательно дали самые непрерывные / единая графеновых поверхностях. Тем не менее, этот метод оставляет высокую плотность химического остатка на поверхности графена. Чтобы решить эту проблему, ставка и время спин-покрытия были впервые оптимизированы, чтобы сделать ПММА слой как можно более равномерным. Кроме того, были введены несколько ступеней очистки с ультра-чистой воды ванны, чтобы удалить химические остатки от задней поверхности графена прежде рыбалка это с 2 чипа ч-BN / SiO. Из этих усилий, относительно чистые образцы, как видно с помощью оптического микроскопа, были переданы последовательно. Никакие изменения в способе передачи ПММА, однако, не может полностью очистить поверхность графена как это всегда оставляет тонкий слой ПММА. Для получения атомарно чистой поверхности (СТМ исследования требуют чистые регионы &# 62; 100 нм 2), серии процедур отжига должна быть выполнена. Ar / Н 2 отжига может эффективно удалить большую часть слоя ПММА. После Ar / H 2 отжига, появляется 29 поверхность графена, чтобы быть чистым в инспекции окружающей среды АСМ (рис 3). Тем не менее, тонкий слой ПММА обнаруживается окружающей АСМ-прежнему покрывает поверхность графена, который требует дальнейшего на месте СВВ отжига для удаления. Важно иметь в виду, что после передачи отжиг может только очистить только относительно остатков свободной поверхности; Конечная чистота образца зависит главным образом на передачу.

Третий гол - сборка графена устройство без утечки затвора - регулируется пост-Ар / Н 2 этапа отжига. При монтаже устройства на образце пластины, важно, чтобы электрически отключить устройство от остальной части образца пластины с сапфиром хлопьев; только электрический контакт между Тон попробовать пластину и устройство должно быть проводные облигации. Проволока скрепления вводит риск поломки устройства, если чрезмерной мощности поставляется в любой форме перелома в SiO 2 слоя (независимо от того, как маленький), может привести к утечке ворота. Параметры провода-соединение должно быть, таким образом оптимизированы загодя. Потому что ворота утечки может происходить не только в устройстве, но и во всей камере STM, большое количество времени и ресурсов могут быть потрачены впустую, чтобы выявить и устранить источник утечки. Важно, чтобы свести к минимуму риск утечки затвора при сборке устройства графена.

Четвертый гол - хранение индивидуальных примесей кулоновских - регулируется шагов калибровки перед осаждением. Это необходимо для оптимизации параметров осаждения в испытательной камере сверхвысокого вакуума (и дополнительно на Cu (100) поверхности в месте) для контролируемого осаждения. Чистота осаждения должна быть тщательно оценены с РГА, потому что случайный IMPUбумаг не только исказить скорость осаждения, измеренное QCM но также привести к нежелательной допинга. Если устройство было необратимо легированных неизвестной примеси, ответ графена кулоновских примесей может быть нежелательно изменен.

В дополнение к этим вызовам, исследование СТМ может быть ограничен несколькими способами. В измерении дифференциальной проводимости, невозможно полностью отделить наконечник электронных состояний из выборки стран. Даже с хорошо калиброванный наконечника, это может быть сложным, чтобы определить происхождение спектроскопического функции. Кроме того, информация, полученная из измерений, проведенных в СВВ (10 -10 Торр) и Т = 4 К не может иметь отношение к устройствам, работающих в менее идеальных условиях.

Это, как говорится, СТМ имеет много преимуществ по сравнению с другими методами. Он имеет не только высокое энергетическое разрешение (несколько МэВ), но также высокое пространственное разрешение (~ 10 вечера). Для сравнения, ARPES имеет относительно низкую пространственную Resolution (субмикронных), но сравнимо энергетическое разрешение (несколько МэВ). СТМ также могут быть использованы для манипулирования положение отдельных атомов на устройстве для создания новых конфигураций заряда. Например, Ян и др. Созданы искусственные ядра заряженных Ca димеров на задней закрытого графеновом устройства с иглой СТМ и характеризуется атомный состояние коллапса на поверхности графена. 4 Благодаря этим преимуществам в виду, СТМ является одним из самых мощных и надежные методы для характеристики пространственно зависимый ответ графена на различных возмущений в хорошо контролируемой среде.

Исследования СТМ ворот перестраиваемого графеновых устройств, нанесенных с кулоновских примесей ценны не только для тестирования основных теорий, но и для понимания приложений устройств гибрид графена. Они могут экспериментально проверить основные прогнозы относительно поведения безмассовых фермионов Дирака в новых систем, которые обладают значительно отличается БехаВИОР сравнению с носителями заряда в обычных системах. 15-18 Кроме того, такие исследования могут выявить некоторые из самых неожиданных характеристик графена 4, что приводит к более глубокому пониманию носителей заряда в релятивистской режимов. Новый взгляд на физические законы, которые управляют графена системы будет весьма полезно для точного настройки свойств гибридных графеновых устройств. 2-5

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgements

Наше исследование было поддержано директором Управления науки, Управление основной энергии наук департамента США программы sp2 энергии в соответствии с контрактом нет. DE-AC02-05CH11231 (разработка приборов СТМ и интеграция устройства); не Управление военно-морских исследований (характеристика устройства), и NSF награду нет. CMMI-1235361 (DI / DV томография). Данные СТМ были проанализированы и визуализируется с помощью WSxM программного обеспечения. 33 DW и AJB были поддержаны министерством обороны (DoD) через Национальный научный и инженерно обороны Высшее общество (NDSEG) Программы, 32 CFR 168а.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics