Fabbricazione di gate-sintonizzabili dispositivi di grafene per effetto tunnel studi di microscopia con Coulomb impurità

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Jung, H. S., Tsai, H. Z., Wong, D., Germany, C., Kahn, S., Kim, Y., Aikawa, A. S., Desai, D. K., Rodgers, G. F., Bradley, A. J., Velasco Jr., J., Watanabe, K., Taniguchi, T., Wang, F., Zettl, A., Crommie, M. F. Fabrication of Gate-tunable Graphene Devices for Scanning Tunneling Microscopy Studies with Coulomb Impurities. J. Vis. Exp. (101), e52711, doi:10.3791/52711 (2015).

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Abstract

Grazie alle sue portatori di carica a basso consumo energetico relativistiche, l'interazione tra grafene e le varie impurità porta ad una ricchezza di nuova fisica e gradi di libertà per controllare i dispositivi elettronici. In particolare, il comportamento dei portatori di carica di grafene in risposta a potenziali dalle impurità Coulomb praticati si prevede differire significativamente da quella della maggior parte dei materiali. Microscopia a scansione a effetto tunnel (STM) e la spettroscopia a effetto tunnel (STS) possono fornire informazioni dettagliate sia sulla dipendenza spaziale e l'energia della struttura elettronica di grafene in presenza di un'impurità carica. La progettazione di un dispositivo di impurezza-grafene ibrido, fabbricato con la deposizione controllata di impurità su una superficie di back-gated grafene, ha consentito a diversi nuovi metodi per le proprietà elettroniche controllabile accordatura del grafene. 1-8 elettrostatica gating consente il controllo della densità portatori di carica in grafene e la capacità di Reversisintonizzare bilmente la carica 2 e / o molecolari 5 stati di impurezza. Questo documento delinea il processo di fabbricazione di un dispositivo grafene gate-sintonizzabile decorato con le singole impurezze Coulomb per STM / STS studi combinati. 2-5 Questi studi forniscono preziose informazioni la fisica sottostante, nonché indicazioni per la progettazione di dispositivi di grafene ibridi.

Introduction

Grafene è un materiale bidimensionale con una struttura unica fascia lineare, che dà luogo alle eccezionali proprietà elettriche, ottiche e meccaniche. 1,9-16 suoi portatori di carica bassa energia sono descritti come relativistici, senza massa fermioni di Dirac 15, la cui comportamento differisce significativamente da quella dei portatori di carica non relativistica nei sistemi tradizionali. 15-18 deposizione controllata di una varietà di impurità su grafene fornisce una piattaforma tuttavia versatile semplice per studi sperimentali della risposta di questi portatori di carica relativistiche ad una gamma di perturbazioni. Le indagini di questi sistemi rivelano che le impurità grafene possono spostare il potenziale chimico 6,7, alterare la effettiva costante dielettrica 8, e potenzialmente portare alla superconduttività mediata elettronicamente 9. Molti di questi studi 6-8 impiegano gating elettrostatica come mezzo per sintonizzare le proprietà del impurit ibridoy-grafene dispositivo. Gating elettrostatica può spostare la struttura elettronica di un materiale rispetto al suo livello di Fermi senza isteresi. 2-5 Inoltre, ruotando la carica 2 o molecolare 5 stati di tali impurità, gating elettrostatiche possono reversibilmente modificare le proprietà di un ibrido impurezza-grafene dispositivo.

Back-gating un dispositivo grafene fornisce un sistema ideale per l'indagine al microscopio a effetto tunnel (STM). Un microscopio a scansione tunnel costituito da una punta metallica tagliente tenuta pochi angstrom distanza da una superficie conduttiva. Applicando una polarizzazione tra la punta e la superficie, elettroni tunnel tra i due. Nel modo più comune, modalità di corrente costante, si può mappare la topografia della superficie del campione da raster scansione la punta in avanti e indietro. Inoltre, la struttura elettronica locale del campione può essere studiato esaminando una conduttanza differenziale dI / dV spettro, che è proporzionale alla de localinsity di stati (ldo). Questa misura viene spesso chiamato spettroscopia a effetto tunnel (STS). Controllando separatamente le tensioni di polarizzazione e back-cancello, la risposta di grafene di impurità può essere studiata analizzando il comportamento di questi spettri dI / dV. 2-5

In questa relazione, la realizzazione di un dispositivo di grafene back-gated decorata con impurità Coulomb (ad esempio, paga atomi Ca) è delineato. Il dispositivo è costituito da elementi nell'ordine seguente (dall'alto verso il basso): adatomo calcio e cluster, grafene, esagonale nitruro di boro (h-BN), diossido di silicio (SiO 2), e silicio bulk (Figura 1). h-BN è una pellicola sottile isolante, che fornisce un substrato atomicamente piatta ed elettricamente omogeneo grafene. 19-21 h-BN e SiO 2 agiscono come dielettrici e bulk Si serve come retro-gate.

Per realizzare il dispositivo, il grafene è dapprima cresciuto su un electrocheappo sita lucido Cu lamina 22,23, che funge da superficie catalitica pulita per la deposizione di vapore chimico (CVD) 22-25 di grafene. In crescita CVD, metano (CH 4) e idrogeno (H 2) gas precursori subiscono pirolisi per formare domini di cristalli di grafene sulla lamina Cu. Questi domini crescono e alla fine si fondono, formando un foglio policristallino grafene. 25 Il grafene risultante viene trasferito sul substrato bersaglio, un SiO 2 chip di h-BN / (preparato da esfoliazione meccanica 19-21 di h-BN su un SiO 2 / Si (100) chip), via poli (metilmetacrilato) (PMMA) trasferimento. 26-28 Nel trasferimento PMMA, il grafene su Cu è il primo spin-rivestito con uno strato di PMMA. Il / grafene / campione Cu PMMA galleggia poi su una soluzione mordenzante (pe, FeCl 3 (aq) 28), che incide via il Cu. Il campione PMMA / grafene non ha reagito viene pescato con un chip h-BN / SiO 2 e successivamentepuliti in un solvente organico (ad esempio, CH 2 Cl 2) e Ar / H 2 ambiente 29,30 per rimuovere lo strato di PMMA. Il campione 2 / Si grafene risultante / h-BN / SiO è poi filo-legato per contatti elettrici di un ultra-alto vuoto (UHV) Piastra campione e ricotto in una camera UHV. Infine, il dispositivo grafene è depositato in situ con impurità Coulomb (ad esempio, carica atomi Ca) e studiato da STM. 2-5

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Protocol

1. elettrochimico lucidatura di un Cu Foil 22,23

Nota: elettrochimico lucidatura espone nuda superficie Cu per la crescita grafene togliendo il rivestimento superficiale di protezione e controlla la densità di semina di crescita.

  1. Preparare una soluzione di lucidatura elettrochimica miscelando 100 ml di acqua ultra-pura, 50 ml di etanolo, 50 ml di acido fosforico, 10 ml di isopropanolo, e 1 g di urea.
  2. Tagliare Cu foglio in più 3 centimetri da 3 centimetri lamine. Nota: Ogni foglio serve sia come un anodo o catodo.
  3. Impostare l'anodo / catodo deviando un foglio di Cu verticalmente con un supporto e collegandolo al terminale appropriato dell'alimentatore.
    Nota: L'anodo (polo positivo) sarà lucidatura elettrochimica per la crescita di grafene.
  4. Prima dell'inizio della lucidatura, impostare la tensione costante di 4,8 V in alimentazione.
  5. Accendere l'alimentazione non appena l'anodo e il catodo sono simultaneamente immerso nel electrochemisoluzione lucidatura cal. Separare gli elettrodi da circa 2 cm. Controllare che la corrente risultante è compresa tra 1-2 A.
  6. Smettere di lucidatura elettrochimica dopo 2 min spegnendo l'alimentazione. Estrarre l'anodo e sciacquare immediatamente la parte con acqua ultra-pura, acetone e isopropanolo.
  7. Blow-asciugare la lamina di rame sciacquato con N 2 gas e conservarla in un recipiente asciutto.

2. Chemical Vapor Deposition (CVD) di grafene su un Cu Foil 22-25

  1. Inserire un tubo di quarzo in una fornace CVD e collegare il tubo per il resto della linea di gas con raccordi KF.
  2. Inserire un foglio di Cu elettrochimicamente lucidato sulla cima di una barca quarzo. Utilizzando una lunga asta, spingere la barca quarzo nel tubo di quarzo fino alla lamina Cu è posto al centro del forno CVD. Racchiudere il sistema con raccordi KF.
  3. Pompa il sistema con una pompa di diffusione. Spurgare il sistema con H 2.
  4. Rampa la temperatura a 1.0506; C con 200 sccm di H 2. Ricottura a 1050 ° C con lo stesso flusso di gas per 2 ore.
    Nota: La temperatura viene misurata tramite incorporato tipo K termocoppia in un forno tubolare.
  5. Raffreddare a 1.030 ° C con lo stesso flusso di gas. Crescere grafene per 10 minuti con 40 sccm CH 4 e 10 sccm H 2.
  6. Non appena la crescita è finita, aprire il cofano fornace per raffreddare rapidamente giù ILLECITO. Mantenere la stessa portata di gas.
  7. Una volta che la temperatura è inferiore a 100 ° C, spegnere il flusso del gas.
  8. Spegnere la pompa. Vent il sistema con N 2 gas aprendo lentamente la valvola di dosaggio tra la linea del gas e la bombola N 2.
  9. Estrarre il campione. Tagliare la lamina di rame in pezzi con dimensioni desiderate.
  10. Conservare il campione in un contenitore secco all'interno di un essiccatore.

3. meccanica Esfoliazione 19-21 di h-BN su un SiO 2 chip

  1. Pulire un chip SiO 2. Nota: L'SiO 2 chip è composto di un nm di spessore SiO 2 strati circa 285 sulla cima di una massa di Si.
    1. Tagliare un wafer SiO 2 in circa 1 cm per 1 centimetro chip utilizzando uno scriba diamante.
    2. Risciacquare il chip SiO 2 con acqua e isopropanolo. Mantenere la superficie SiO 2 coperta con acqua / isopropanolo dopo ogni risciacquo.
    3. Posizionare il chip SiO 2 sul coater rotazione per rimuovere il liquido dalla sua superficie. Gira la chip con 3.000 giri per 15 sec.
    4. Controllare la pulizia del chip al microscopio ottico con regolazione a campo scuro. Nota: In ambiente campo scuro, impurità solide appaiono come particelle luminose.
  2. Inserire un pulito SiO 2 di chip, nastro esfoliazione, e cristallo h-BN su un tavolo pulito con un microscopio ottico.
  3. Preparare due strisce di nastro: un nastro genitore e un secondo nastro. Posizionare sia sul tavolo con i loro lati adesivi up. Posizionare un cristallo h-BN sul lato adesivo del nastro genitore.
  4. Posizionare le sticky lato del secondo nastro sopra il cristallo h-BN sul nastro principale (in modo che i lati adesivi del secondo e del genitore nastri si toccano). Strofinare il cristallo delicatamente per rimuovere le bolle d'aria intrappolate.
  5. Sbucciare la secondo nastro largo per esfoliare la cristallo h-BN sul secondo nastro. Conservare il nastro genitore per un uso futuro.
  6. Piegare il secondo nastro su se stesso, strofinare delicatamente sopra il cristallo, e staccare il nastro. Ripetere questa operazione 10 volte, piegando il secondo nastro in modo che i cristalli del h-BN vengono trasferiti in una nuova regione fresco del secondo nastro ogni volta.
  7. Posizionare un pulito SiO 2 di chip sotto il microscopio. Stick regione del secondo nastro contenente il cristallo h-BN nel chip SiO 2. Assicurarsi che il nastro attacca anche al supporto del microscopio per fissare il chip durante la prossima fase di esfoliazione.
  8. Lentamente buccia il nastro, il monitoraggio del processo sotto il microscopio. Mentre il nastro è quasi staccata, usare una pinzetta per tenere il SiO 2
  9. Una volta che il nastro è staccata, posizionare il chip in un forno CVD. Anneal il chip in aria a 500 ° C per 2 ore.

4. poli (metilmetacrilato) (PMMA) 26-28 Trasferimento di grafene su h-BN / SiO 2

  1. Mettere una goccia di PMMA (A4) sul grafene / Cu stagnola / grafene. Spin-coat il foglio con 3.000 giri in 30 sec. Nota: Come FeCl 3 (aq) incide via lo strato di rame durante la prossima fase di attacco, il grafene posteriore cadrà mentre lo strato / PMMA grafene rimarrà reagito (Figura 2).
  2. Con un cucchiaino resistente FeCl 3, lasciare che il Cu lamina flottante spin-rivestito sui seguenti soluzioni in questo ordine: 1.5 minuti a FeCl 3 (aq), 5 min a ultra-acqua pura, 1 min a FeCl 3 (aq), 5 min a ultra-acqua pura, 15 min a FeCl 3 (aq), 5 min a ultra-acqua pura, 5 min a tardo ultra-puror, e 30 min a acqua ultra-pura. Preparare ogni bagno ultra-pura acqua in un bicchiere a parte.
  3. Pesce il campione / grafene PMMA con un h-BN / SiO 2 chip. Posizionarlo su una piastra calda a 80 ° C per 10 minuti per rimuovere l'acqua ed a 180 ° C per 15 minuti per rilassare 27 pellicola PMMA.
  4. Posizionare il / grafene / h-BN / SiO 2 chip di PMMA in CH 2 Cl 2 O / N per sciogliere lo strato di PMMA.

5. Ar / H 2 ricottura 29,30

  1. Posizionare il tubo di quarzo sul forno CVD e collegare il tubo per il resto della linea di gas con raccordi KF.
  2. Posizionare il grafene / BN / SiO 2 chip su una barca di quarzo. Utilizzando una lunga asta, spingere la barca quarzo nel tubo di quarzo fino il chip è posto al centro del forno CVD. Racchiudere il sistema con raccordi KF.
  3. Pompa il sistema con una pompa di diffusione. Spurgare il sistema con H 2 e Ar.
  4. Creare la pressione di 1 atm con 100 sccm H 2 e 200 SCCM Ar con una valvola dosatrice. Quando la pressione raggiunge 1 atm, regolare la dimensione di apertura della valvola di dosaggio per stabilizzare la pressione a 1 atm.
  5. Rampa la temperatura a 350 ° C e ricottura per 5 ore con lo stesso flusso di gas.
  6. Raffreddare a RT con lo stesso flusso di gas.
  7. Una volta che la temperatura è inferiore a 100 ° C, spegnere il flusso del gas. Chiudere tutte le valvole.
  8. Spegnere la pompa. Vent il sistema con N 2 gas aprendo lentamente la valvola di dosaggio tra la linea del gas e la bombola N 2.
  9. Estrarre il campione. Controllare il numero di strati di grafene e il livello di difetto con la spettroscopia Raman 32. Controllare la sua pulizia / uniformità al microscopio ottico. Scansione più aree che appaiono pulito sotto il microscopio ottico con il microscopio a forza atomica (AFM) per garantire che il campione appare pulito / uniforme a una piccola scala di lunghezza (<500 nm) pure.
  10. Conservare in un contenitore a secco all'interno di unessiccatore.

6. Assemblaggio di un dispositivo grafene gate-sintonizzabile per STM misura 2-5

  1. Far evaporare 50 micron 50 micron Au / Ti contatto pad sul Ar / H 2 -annealed CVD grafene / h BN-SiO 2 campioni /.
    1. Nastro il campione su un palco in cima ad un micromanipolatore.
    2. Durante il monitoraggio con microscopio ottico, allineare una maschera stencil con grafene usando micromanipolatore modo che il contatto Au / Ti sarà depositato vicino alla regione di interesse senza coprire la superficie.
    3. Trasferire il campione con maschera stencil ad un evaporatore e-beam. Far evaporare 10 nm di Ti a 3 A / sec. Coprire lo strato di Ti facendo evaporare 30-50 nm di Au a 3 A / sec nella stessa sessione di evaporazione senza rompere il vuoto. Nota: In alternativa, 1 nm di Cr è un buon sostituto per il 10 nm di Ti.
    4. Trasferire il campione con la mascherina stencil di nuovo al micromanipolatore per rimuovere il palco.
  2. <li> Montare il campione su una piastra del campione ultra-alto vuoto (UHV).
    1. Posizionare un pezzo sottile di zaffiro su un piatto del campione UHV. Nota: Gli atti zaffiro come uno strato isolante che impedisce il contatto elettrico fra la terra Si e STM. Inoltre, zaffiro è un ottimo conduttore termico allo scopo di campione ricottura.
    2. Posizionare il campione sulla parte superiore dello zaffiro. Posizionare un altro sottile pezzo di zaffiro sul campione. Assicurarsi che lo zaffiro non copre la superficie di grafene.
    3. Fissare la struttura zaffiro / campione / zaffiro con un morsetto metallico. Assicurarsi che l'intera struttura è rigida oppure vibrerà all'interno di una STM.
  3. Filo-bond i terminali piastra campione UHV di appropriarsi contatti sul dispositivo grafene. Nota: Gli elettrodi Au / Ti depositati sono filo legato a terra mentre la maggior Si è wire-legato all'elettrodo di gate (Figura 1).
    1. Posizionare il campione montato su un palco wire-bonding terra.
    2. Identificare posizioni dei contatti Au / Ti usando un microscopio ottico.
    3. Girare su un filo-bonding. Se il filo-bonder è pneumatico, accendere N 2 gas. Impostare il filo bonder per fare due prestiti obbligazionari.
    4. Utilizzando un braccio wire-bonding, posizionare la punta del bonder filo sul superiore del terminale appropriato sul piatto del campione UHV. Spostare verso il basso e premere leggermente la punta del bonder filo sul terminale finché il filo-bonding indica che il legame è finito.
    5. Infilare un filo al contatto Au / Ti sul dispositivo grafene. Spostarsi in basso e premere delicatamente la punta del bonder filo sul contatto Au / Ti finché il filo-Bonder indica che il legame è finito.
    6. Utilizzare un scrivano diamante grattare qualche SiO 2 sul bordo della piastrina SiO 2 per esporre il Si che verrà utilizzato come back-gate. Ripetere il processo a due di legame per il Si esposta.
    7. Inserire il campione all'interno di un UHV (10 -10 Torr) Camera di preparazione e temprare il g filo-legatadispositivo raphene a circa 300 ° C. Trasferire il dispositivo ad una camera di STM.
      Nota: Il dispositivo grafene dovrebbe essere ricotto fino a quando appare la sua superficie pulita sotto STM (vedi capitolo 8 del protocollo.). Il tempo di ricottura può variare a seconda della pulizia iniziale del dispositivo.

7. STM calibrazione punta su Au (111) di superficie 31

  1. Temprare / sputter Au (111) del campione sul palco di riscaldamento in una camera UHV per pulire / appiattire la superficie Au. Anneal per 5 minuti a 375 ° C, e sputter per 5 min con Ar + fascio accelerato a 500 V. Trasferire la Au (111) di esempio per la fase di scansione STM.
  2. Avvicinatevi una superficie Au (111) con una punta STM. Applicare 10 V impulsi sulla punta STM finché un Au (111) ricostruzione a spina di pesce è chiaramente visibile.
  3. Calibrare la punta regolando la forma della punta e confrontando la conduttanza differenziale spettro dI / dV allo standard Au (111) spettro dI / dV. 31
  4. Eseguire la scansione del Au (111) superficie con 40 nm da 40 nm telaio per identificare una zona pulita / appartamento. Se la superficie ha una elevata densità di bordi delle scale, spostarsi in una nuova area per la scansione.
  5. Bloccare delicatamente la punta STM 0,4-1,0 nm in una regione pulita del (111) di superficie Au; questo crash controllato è indicato come un pulsante di "poke". Spegnere il feedback e cliccare su "Take Spectroscopy" per prendere uno spettro dI / dV via lock-in sulla risposta attuale di un AC tensione modulata (6 mV e 613,7 Hz) aggiunto il bias punta.
    Nota: Una volta ac tensione modulata (6 mV e 613.7 Hz) è fornito sulla punta, la corrente di tunnel risultante va nel amplificatore lock-in, che isola la componente della corrente con la stessa frequenza e restituisce segnale dI / dV. Registrando questo segnale come la polarizzazione del campione è spazzato da -1,0 a 1,0 V, viene generato spettro dI / dV. Perché questo programma è la spettroscopia in casa scritta, l'istruzione per la presaspettroscopia varierà tra programmi diversi.
  6. Controllare la curva dI / dV ottenuto contro un Au standard (111) Spettro dI / dV (Figura 4). Assicurarsi che il Au (111) dello stato di superficie è presente nella / curve dV dI e che lo spettro è assente qualsiasi funzione anomala. Se la curva dI / dV misurato non è accettabile, ripetere la stoccata nel passaggio 7.3.2 fino alla curva dI / dV aspetto come quello mostrato nella figura 4.
  7. Una volta perfetta forma e lo spettro dI / dV sono ottimizzati, attendere da 15 a 30 minuti; se la punta STM è instabile, lo spettro dI / dV cambierà durante questo intervallo di tempo. Riprendere uno spettro dI / dV in un luogo diverso da confermare se la punta STM è stabile o meno.
  8. Ripetere la stoccata al punto 7.3.2 se la curva dI / dV è cambiato. Procedere alla scansione di grafene se curva dI / dV è invariato.

8. Scansione grafene

  1. Transfer il dispositivo grafene ad una fase di scansione STM.
  2. Utilizzare un microscopio ottico a lunga distanza per vedere la punta STM e dispositivo grafene. Dopo lateralmente allineando la punta e h-BN fiocco di interesse, avvicinarsi al grafene.
  3. Inizia la scansione di un 2 nm da 2 zona nm. Lentamente ingrandire la finestra di scansione a 5 nm da 5 nm, 10 nm, da 10 nm, 15 nm da 15 nm, 20 nm da 20 nm, ecc. Se si incontra un grande impurità (> 100 ore in altezza), ritirare la punta e spostarsi in una zona diversa.
  4. Prendete uno spettro dI / dV e confrontare lo spettro standard di dI / dV sul grafene / h-BN substrato (vedi Rif. ​​21). Se lo spettro non è paragonabile, ricalibrare la punta su una superficie Au (111) (vedi cap. 7 del protocollo).
  5. Scansione più aree per ottenere un senso di come spesso grande impurità (> 100 ore in altezza) si incontra. Sulla base di queste statistiche, dedurre la pulizia del campione.

9. Depositare Coulomb impurità su grafene Surface 2-4

  1. Ottenere una fonte Ca. Calibrare l'evaporazione di atomi di Ca con un analizzatore di gas residuo (RGA) e microbilancia al quarzo (QCM) in una camera di prova UHV. Nota: RGA valuta la purezza del deposito Ca mentre QCM misura una velocità di deposizione Ca.
    1. Eseguire corrente attraverso la fonte Ca.
    2. Aumentare la corrente fino ad una pressione parziale di Ca 10 -10 Torr viene rilevato nello spettro di massa RGA. Essere consapevoli del fatto che Ca e Ar hanno la stessa massa e quindi sono indistinguibili nel RGA.
    3. Misurare la velocità di deposizione di Ca (strato / sec) con la QCM.
      1. Immettere la densità (ad esempio, 1,55 g / cm 3 per Ca ionico) del deposito di convertire il valore spostamento di frequenza di deposizione tasso.
      2. Il monitor velocità di deposizione per il QCM legge la velocità di deposizione in / s; convertire questo strato / sec assumendo che lo spessore di un monostrato è uguale al diametro ionico (ad esempio, 0,228 Å per Ca ione) Del deposito.
    4. Determinare la corrente ottimale regolando la corrente fino monitor velocità di deposizione indica un tasso di deposizione desiderata (ad esempio, 3,33 x 10 -5 strato / sec).
  2. Dato il tasso di deposizione (ad esempio, 3,33 x 10 -5 strato / sec) al punto 9.1.3, calcolare il tempo (sec) per depositare la quantità desiderata (ad esempio, 0,01 monostrato) di Ca. Nel STM, Ca depositare su una superficie di Cu (100) in situ con l'impostazione corrente ottimale dal punto 9.1.3. Verificare la copertura di Ca e la pulizia del post-deposizione di Cu (100) superficie con STM (vedi punto 8.5); ricalibrare l'impostazione corrente fino a che il Cu (100) stato superficiale sotto STM appare come previsto.
    Nota: parametri di deposizione sono ottimizzati su Cu (100) prima di ridurre al minimo il rischio di contaminazione del dispositivo grafene con deposizione scarsamente controllata.
  3. Trasferire il dispositivo grafene per un STM per la deposizione in situ a4 K.
  4. Deposito addebitato atomi Ca sulla superficie di grafene.
    1. Prima di depositare Ca il grafene, outgass la fonte Ca. Aumentare lentamente la corrente della sorgente di 0,25 A ogni 5-10 minuti fino a raggiungere la corrente desiderato al punto 9.2. Chiudere un otturatore tra il grafene e la fonte Ca per evitare contaminanti degassata di raggiungere il grafene.
    2. Lasciate che il flusso di evaporazione stabilizzi per 20 minuti prima di aprire l'otturatore.
    3. Aprire l'otturatore e il deposito desiderabile (per esempio, 0,01 monostrato) quantità di Ca ioni sulla superficie di grafene. Assicurarsi che il dispositivo di grafene ha linea di vista con la fonte di Ca. Assicurarsi che la punta STM è fuori linea di vista della fonte Ca per evitare che gli atomi di Ca di attaccarsi alla punta STM.
  5. Verificare la copertura di Ca e la pulizia della superficie grafene post-deposizione con STM (vedi punto 8.5). Fare riferimento a Ref. 2, 3 e 4 per un ulteriore protocollo dello studio di impurità Coulomb sul grafene.

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Representative Results

La figura 1 illustra una vista schematica di un dispositivo di grafene back-gated. Fili incollaggio Au / Ti contatto a un UHV motivi piastra campione grafene elettricamente, mentre wire-bonding Si bulk ad un elettrodo che si connette a un circuito esterno di back-gate del dispositivo. By-back gate di un dispositivo, uno stato di carica di una impurezza Coulomb in un dato campione di polarizzazione (che è controllata dalla punta STM) può essere sintonizzata su un diverso stato di carica. 2-4

La figura 2 illustra la procedura per la fabbricazione di un dispositivo grafene porta-sintonizzabile. Un foglio Cu viene prima lucidatura elettrochimica per rimuovere il rivestimento superficiale di protezione e modificare la sua densità di semina di crescita. 23,24 Dopo la lucidatura elettrochimica, la lamina di rame dovrebbe apparire più lucidi sotto l'occhio nudo di prima, la sua superficie sia diventata più fluida. La pellicola Cu lucidatura elettrochimica agisce quindi come substrato catalitico per la crescita CVD di grafene. Il grafene è quindi Tra-ed su un substrato 2 h-BN / SiO tramite bonifico PMMA. Il campione risultante viene pulita in un ambiente 2 Ar / H e caratterizzato (Figura 3). Successivamente, è assemblato in un dispositivo di back-dipendenti.

Prima che il campione è assemblata in un dispositivo di back-dipendenti, la superficie grafene è caratterizzata da un microscopio ottico (Figura 3A), spettroscopia Raman (figura 3B), e AFM (Figura 3C). Con un'immagine microscopio ottico, è facile esaminare la pulizia, la continuità, e il numero di strati di grafene durante l'intero campione. Con uno spettro Raman, il numero di strati di grafene e il livello di difetto può essere valutata esaminando la I G:. Ho 2D rapporto di intensità di picco e l'intensità D picco rispettivamente 32 Con un'immagine AFM, varie caratteristiche - la pulizia, l'uniformità, rugosità superficiale, ecc. - Del campione può essere attendibilmente evalranea in una piccola scala di lunghezza (<500 nm). Un buon esempio dovrebbe apparire pulito, continuo, uniforme, e monostrato in entrambe le immagini al microscopio AFM e ottici. Inoltre, un buon campione deve presentare una intensità minima D picco (un segno di difetti minima) e minore di 1: 2 rapporto I G: I 2D rapporto di intensità di picco (segno di monostrato) sotto spettroscopia Raman 32.

Prima che il dispositivo può essere caratterizzato sotto un STM, una punta STM deve essere calibrato su Au (111) superficie per disaccoppiare gli stati punta STM da stati di superficie del campione per quanto possibile. Senza la calibrazione punta, la conduttanza differenziale spettro dI / dV apparirà contorto a causa di un forte accoppiamento tra gli stati punta e stati di superficie del campione: in altre parole, i dati STM presi da una punta non calibrato non possono rappresentare la reale struttura del campione . Per calibrare la punta, la punta STM è ripetutamente impulsi / infilò in un Au (111) surface fino un'immagine ad alta risoluzione di ricostruzione herringbone (Figura 4A) può essere ottenuta e spettro dI / dV è paragonabile allo standard Au (111) Spettro dI / dV (Figura 4B). Lo spettro dI / dV dovrebbe presentare un forte passo alla V campione ≈ -0.5 V, che rappresenta l'inizio del Au (111) stato superficiale. Inoltre, lo spettro dI / dV deve presentare picchi e avvallamenti anomali, che possono apparire come artefatti nella misurazione dI / dV sul grafene.

Dopo la calibrazione punta, la superficie del campione viene esaminato con STM. La figura 5A mostra un modello Moiré per grafene / h-BN, che nasce da una mancata corrispondenza tra le costanti reticolari del grafene e h-BN. La lunghezza d'onda di un modello di Moiré dipende dall'angolo di rotazione fra il grafene e sottostanti reticoli h-BN: minore è l'angolo di torsione, maggiore è la lunghezza d'onda. Aspetto di Moiré patte rn conferma la presenza di grafene pulita su un substrato h-BN. Una volta che la superficie del campione viene esaminato, ioni Ca sono depositati su grafene, la cui topografia è mostrato in figura 5B. Un modello Moiré appare sullo sfondo dell'immagine. Atomi Ca Una volta caricati sono depositati con successo, punta STM può costruire nuclei artificiale costituito da più caricata dimeri Ca spingendo ogni dimero in piccoli gruppi. Risultati dello studio MCS cariche adatomo Co e Ca sono mostrati in Ref. 2 e 3 e Ref. 4, rispettivamente.

Figura 1
Figura 1. Schema di un dispositivo di grafene porta-sintonizzabile. Grafene è messo a terra al piatto del campione, mentre Si strato si connette a un elettrodo di gate attraverso il filo-bonding. 2-5 Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

S copi "> Figura 2
. Figura 2. schemi di processo di gate-sintonizzabile dispositivo grafene fabbricazione Le fasi di fabbricazione di un dispositivo grafene gate-sintonizzabile sono: 1) la crescita CVD grafene su un foglio di Cu lucidatura elettrochimica, 2) - 5) trasferimento PMMA di grafene su un h- BN / SiO 2 del circuito integrato, 6) Ar / H 2 ricottura, 7) l'evaporazione di Au / Ti contatto, 8) il montaggio su una piastra del campione UHV, e 9) filo-bonding. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura .

Figura 3
Figura 3. Pre-STM caratterizzazione di un grafene / h-BN / SiO 2 eterostruttura. (A) ottico di immagine al microscopio di grafene / h-BN / SiO 2 eterostruttura. (B) Raman SPECTrum di grafene / SiO 2 regione. Raman spettro di grafene è caratterizzata da D (~ 1.350 centimetri -1), G (~ 1.580 centimetri -1), e 2D (~ 2.690 centimetri -1) picchi. 32 (C) microscopio a forza atomica (AFM) immagine di grafene / h-BN / SiO 2 regione. Questa immagine è una mappa di altezza con modo toccando AFM. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 4
Figura 4. STM caratterizzazione di Au (111) di superficie per la calibrazione punta STM. 31 (A) Topografia di Au (111) di superficie. (B) standard dI / dV spettro di Au (111) di superficie. Cliccate qui per vedere una più grande versione di questa figura.

<p class = "jove_content"> Figura 5
Figura 5. STM Topografia di impurità Coulomb sul grafene. (A) modello Moiré per grafene / h-BN. 20,21 (B) adatomo CA il grafene. 4 Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

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Discussion

Per caratterizzazione STM, obiettivi critici della fabbricazione del dispositivo grafene includono: 1) crescita monostrato grafene con un numero minimo di difetti, 2) ottenendo un grande, pulito, uniforme, e la superficie grafene continua, 3) l'assemblaggio di un dispositivo di grafene con elevata resistenza tra grafene e la porta (cioè, senza "fuga gate"), e 4) depositando singole impurezze Coulomb.

Il primo obiettivo è governato dal processo CVD, durante il quale grafene cresce su un foglio di Cu. Sebbene ci siano più candidati substrato (ad es, Ni, Ru, Ir, Pt, Co, Pd, ecc), Cu è ben noto per la produzione monostrato grafene più selettivo per la sua bassissima solubilità del carbonio. 25 Tuttavia, crescita selettiva monostrato grafene può ancora essere difficile e incoerente causa di una vasta gamma di fattori. 22-25 Sebbene lucidatura elettrochimica fornisce certamente condizione substrato migliore per gcrescita raphene I caratterizzazioni AFM hanno mostrato che la superficie Cu rimane non uniforme e ruvida a livello microscopico. Inoltre, il livello di contaminazione da residui chimici può variare da un foglio di stagnola. Parametri di ricottura sono essenziali per fornire costantemente una superficie pulita e uniforme Cu durante la crescita. Ricottura Cu a temperatura elevata (1050 ° C) in prossimità del suo punto di fusione (1.085 ° C) con un elevato flusso di idrogeno (~ 200 SCCM) sembra fornire una superficie costantemente pulito e uniforme Cu con grandi domini Cu. 22 La crescita temperatura, regime di pressione, e CH 4: H rate ratio 2 flusso può quindi essere sistematicamente ottimizzato fino all'ottenimento monostrato grafene con un numero minimo di difetti.

Il secondo obiettivo - ottenere un grande, pulito, uniforme, e la superficie grafene continua - è governato dal trasferimento PMMA e Ar / H 2 ricottura. Anche se ci sono un certo numero di diversi tran grafeneMetodi Sfer (ad esempio, PMMA secco trasferimento / PDMS 27, bagnato PDMS di trasferimento 24, ecc.), trasferimento PMMA con FeCl soluzione 3 (aq) etchant 28 ha sempre dato le superfici di grafene più continue / uniforme. Tuttavia, questo metodo lascia un'alta densità di residuo chimico sulla superficie grafene. Per risolvere questo problema, la velocità e il tempo-spin coating stati ottimizzati primo a rendere lo strato di PMMA più uniforme possibile. Inoltre, sono state introdotte più passaggi di pulizia con bagni di acqua ultra pura per rimuovere residui chimici dalla superficie posteriore del grafene prima di pesca fuori con un h-BN / SiO 2 chip. Da questi sforzi, campioni relativamente puliti, come visto da un microscopio ottico, sono stati trasferiti in modo coerente. Nessuna variazione nel metodo di trasferimento PMMA, tuttavia, può completamente pulire la superficie grafene come lascia sempre un sottile strato di PMMA. Per ottenere una superficie atomicamente pulite (studi STM richiedono regioni clean &# 62; 100 nm 2), una serie di procedure di ricottura deve essere eseguita. Ar / H 2 ricottura può rimuovere efficacemente la maggioranza dello strato di PMMA. Dopo Ar / H 2 ricottura, 29 la superficie grafene sembra essere pulito sotto ispezione mediante AFM ambiente (Figura 3). Eppure, uno strato di PMMA sottile inosservabile da AFM ambiente ricopre ancora la superficie di grafene, che richiede ulteriori in situ UHV ricottura da rimuovere. E 'importante tenere a mente che il post-trasferimento di ricottura può pulire solo solo una superficie relativamente senza residui; pulizia finale di un campione dipende principalmente sul trasferimento.

Il terzo obiettivo - l'assemblaggio di un dispositivo di grafene senza alcuna dispersione delle porte - è governata da / H 2 passi-Ar posta ricottura. Per il montaggio del dispositivo su un piatto del campione, è fondamentale per scollegare elettricamente il dispositivo dal resto del piatto del campione con fiocchi di zaffiro; l'unico contatto elettrico tra tlui campione piastra e il dispositivo dovrebbe essere il filo-bond. Wire-bonding introduce il rischio di rottura del dispositivo di potenza eccessiva se è fornito come qualsiasi forma di frattura nello strato SiO 2 (indipendentemente da quanto piccolo) può portare a perdite di gate. Parametri filo-bonding devono quindi essere ottimizzate prima del tempo. Poiché dispersione delle porte può verificarsi non solo nel dispositivo, ma anche tutta la camera STM, una grande quantità di tempo e di risorse può essere sprecata per identificare e correggere la fonte di dispersione. È importante ridurre al minimo il rischio di dispersione delle porte durante il montaggio di un dispositivo di grafene.

Il quarto obiettivo - depositare singoli impurità Coulomb - è regolato dalle frequenze di calibrazione prima della deposizione. È indispensabile per ottimizzare i parametri di deposizione nella camera di prova UHV (e inoltre sulla Cu (100) di superficie in situ) per una deposizione controllata. La purezza della deposizione deve essere attentamente valutata con un RGA perché impu casualerities non solo inclinare la velocità di deposizione misurata da QCM, ma comportare anche nel doping indesiderati. Se il dispositivo fosse irreversibilmente drogato da un'impurità sconosciuta, la risposta del grafene alle impurità Coulomb potrebbe essere indesiderabilmente alterato.

In aggiunta a questi problemi, uno studio STM può essere limitata in diversi modi. In una misura di conduttanza differenziale, è impossibile separare completamente gli stati elettronici punta dagli stati di esempio. Anche con una punta ben calibrato, può essere difficile determinare l'origine di una caratteristica spettroscopica. Inoltre, le informazioni acquisite da misurazioni effettuate in UHV (10 -10 Torr) e T = 4 K non può essere rilevante per dispositivi azionati in condizioni meno ideali.

Detto questo, STM ha molti vantaggi rispetto ad altre tecniche. Non ha solo una risoluzione alta energia (pochi meV), ma anche un'elevata risoluzione spaziale (~ 10 pm). Per confronto, ARPES ha un r spaziale relativamente più bassoisoluzione (sub-micron), ma una risoluzione di energia paragonabile (pochi meV). STM può anche essere usato per manipolare la posizione dei singoli atomi su un dispositivo per creare configurazioni carica nuovi. Ad esempio, Yang et al. Creato nuclei artificiali di dimeri Ca praticati su un dispositivo grafene back-gated con una punta STM e caratterizzato uno stato crollo atomico sulla superficie grafene. 4 Con questi vantaggi in mente, STM è uno dei più potenti e tecniche affidabili per la caratterizzazione della risposta spazialmente dipendente di grafene a varie perturbazioni in un ambiente ben controllato.

Studi STM di dispositivi di grafene cancello-sintonizzabile depositati con impurità Coulomb sono preziosi non solo per testare le teorie fondamentali, ma anche per comprendere le applicazioni del dispositivo grafene ibrido. Essi possono verificare sperimentalmente le previsioni fondamentali sul comportamento dei massless fermioni di Dirac nei sistemi nuovi, che presentano significativamente differenti behavior rispetto ai portatori di carica nei sistemi convenzionali. 15-18 Inoltre, tali studi possono rivelare alcune delle caratteristiche più inaspettato di grafene 4, che porta ad una comprensione più profonda di portatori di carica nei regimi relativistiche. Nuova comprensione delle leggi fisiche che governano i sistemi di grafene sarà di grande beneficio per la precisione la sintonizzazione delle proprietà dei dispositivi di grafene ibridi. 2-5

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Acknowledgements

La nostra ricerca è stata sostenuta dal direttore, Office of Science, Ufficio di Scienze energetici di base del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti Programma sp2 sotto contratto n. DE-AC02-05CH11231 (STM sviluppo di strumentazione e l'integrazione del dispositivo); l'Office of Naval Research (caratterizzazione dei dispositivi), e premio NSF no. CMMI-1235361 (dI / dV di imaging). Dati STM sono stati analizzati e resi utilizzando il software WSxM. 33 DW e AJB sono stati sostenuti dal Dipartimento della Difesa (DoD) attraverso il Programma Nazionale Defense Science & Engineering Graduate Fellowship (NDSEG), 32 CFR 168.

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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