Fabricação de porta-ajustáveis ​​dispositivos de grafeno para tunelamento estudos de microscopia com Coulomb Impurezas

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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

Devido a seus portadores de carga de baixa energia relativistas, a interação entre o grafeno e várias impurezas leva a uma riqueza de nova física e graus de liberdade para controlar dispositivos eletrônicos. Em particular, o comportamento de portadores de carga do grafene em resposta a potenciais impurezas de Coulomb carregadas está previsto que diferem significativamente do da maioria dos materiais. Microscopia de varredura de tunelamento (STM) e espectroscopia de tunelamento (STM) podem fornecer informações detalhadas sobre ambos a dependência espacial e energia de estrutura eletrônica do grafeno na presença de uma impureza cobrado. O projeto de um dispositivo de impureza-grafeno híbrido, fabricados usando deposição controlada de impurezas em uma superfície de grafeno fechado-back, permitiu que vários métodos novos para propriedades eletrônicas do grafeno ajuste controladamente. 1-8 eletrostática gating permite o controle da densidade de portadores de carga no grafeno ea capacidade de Reversisintonizar bly a taxa de 2 e / ou moleculares 5 estados de impureza. Este artigo descreve o processo de fabrico de um dispositivo de grafeno porta-tunable decorado com impurezas Coulomb individuais para MCT / STS estudos combinados. 2-5 Estes estudos fornecem informações valiosas sobre a física subjacente, bem como indicações para a concepção de dispositivos de grafeno híbridos.

Introduction

O grafeno é um material bidimensional com uma estrutura linear banda única, que dá origem a suas propriedades elétricas, ópticas e mecânicas excepcionais. 1,9-16 Seus portadores de carga de baixa energia são descritos como relativistas, sem massa férmions de Dirac 15, cujas comportamento difere significativamente da dos portadores de carga não relativísticas em sistemas tradicionais. 15-18 deposição controlada de uma variedade de impurezas para grafeno proporciona uma plataforma versátil ainda simples para estudos experimentais da resposta destes portadores de carga relativísticas a uma variedade de perturbações. Investigações de tais sistemas revelam que as impurezas de grafeno pode deslocar o potencial químico 6,7, alterar a efetiva constante dielétrica 8, e, potencialmente, levar a supercondutividade mediada eletronicamente 9. Muitos destes estudos 6-8 empregam gating electrostática como meios para sintonizar as propriedades do impurit híbridoy-grafeno dispositivo. Gating eletrostática pode mudar a estrutura eletrônica de um material em relação ao seu nível de Fermi, sem histerese. 2-5 Além disso, por meio do ajuste a carga 2 ou molecular 5 estados de tais impurezas, gating eletrostática pode reversível modificar as propriedades de um híbrido impureza-grafeno dispositivo.

Back-gating um dispositivo de grafeno fornece um sistema ideal para a investigação por microscopia de tunelamento (STM). Um microscópio de tunelamento consiste em uma ponta de metal afiada realizada há alguns angstroms longe de uma superfície condutora. Através da aplicação de uma polarização entre a ponta e a superfície, electrões de penetração entre os dois. No modo mais comum, o modo de corrente constante, pode-se mapear a topografia da superfície da amostra por a ponta para trás e para a frente-exploração de quadro. Além disso, a estrutura electrónica locais da amostra pode ser estudada por análise de um espectro diferencial condutância dI / dV, que é proporcional à de locaisnsity de estados (LDOS). Esta medição é muitas vezes chamado espectroscopia de tunelamento (STS). Ao controlar separadamente as tensões de polarização e de back-porta, a resposta de grafeno de impurezas pode ser estudado através da análise do comportamento destes espectros dI / dV 2-5.

Neste relatório, a fabricação de um dispositivo de grafeno fechado-back decorado com impurezas Coulomb (por exemplo, átomos carregados Ca) é delineada. O dispositivo consiste em elementos na seguinte ordem (de cima para baixo): adátomos cálcio e aglomerados, grafeno, nitreto de boro hexagonal (H-BN), dióxido de silício (SiO2), e grandes quantidades de silício (Figura 1). h-BN é uma fina película isolante, o que proporciona um substrato atomicamente plana e eletricamente homogêneo para o grafeno. 19-21 h-BN e SiO 2 ato como dielétricos, e volume Si serve como o back-porta.

Para fabricar o dispositivo, grafeno é primeiro crescidos em uma electrochecamente polido folha de Cu 22,23, que actua como uma superfície catalítica limpa para a deposição de vapor químico (CVD) de 22-25 grafeno. Em um crescimento CVD, metano (CH 4) e hidrogênio (H 2) de gases precursores sofrer pirólise para formar domínios de cristais de grafeno sobre a folha de Cu. Estes domínios crescer e eventualmente fundir-se em conjunto, formando uma folha de grafeno policristalino. 25 O grafeno resultante é transferido para o substrato alvo, um / SiO2 chip de h-BN (preparado por esfoliação mecânica de 19-21 h-BN para uma SiO2 / Si (100) chip), através de poli (metacrilato de metilo) (PMMA) de transferência. 26-28 na transferência de PMMA, o grafeno em Cu é primeiro spin-revestido com uma camada de PMMA. O PMMA / grafeno / amostra de Cu, em seguida, flutua sobre uma solução de produto corrosivo (por exemplo, de FeCl 3 (aq) a 28), que grava a distância Cu. A amostra PMMA / grafeno que não reagiu é pescado com um chip h-BN / SiO 2 e, posteriormente,limpos em um solvente orgânico (por exemplo, CH 2 Cl 2) e Ar / H 2 29,30 ambiente para remover a camada de PMMA. A resultante grafeno / h-BN / SiO amostra 2 / Si é, então, contatos elétricos um ultra-high-vácuo (UHV) placa de amostra e recozido em uma câmara de UHV ligado fios. Por último, o dispositivo é depositado grafeno in situ com impurezas Coulomb (por exemplo, átomos carregados Ca) e estudados por STM. 2-5

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Protocol

1. Eletroquímica Polimento de um Cu Foil 22,23

Nota: polimento electroquímico expõe Cu superfície nua para o crescimento grafeno por remoção do revestimento superficial de protecção e controla a densidade da semente crescimento.

  1. Preparar uma solução de polimento electroquímico através da mistura de 100 ml de água ultra-pura, 50 ml de etanol, 50 ml de ácido fosfórico, 10 ml de isopropanol e 1 g de ureia.
  2. Corte Cu folha em múltiplos três centímetros por três centímetros folhas. Nota: Cada folha serve tanto como um ânodo ou um cátodo.
  3. Configure o ânodo / cátodo grampeando uma folha Cu verticalmente com um suporte e conectá-lo com o terminal apropriado da fonte de alimentação.
    Nota: O ânodo (pólo positivo) será eletroquimicamente polido para o crescimento grafeno.
  4. Antes do polimento começa, defina constante tensão de 4,8 V na fonte de alimentação.
  5. Ligar a fonte de alimentação, assim que o ânodo e o cátodo são simultaneamente mergulhado na electrochemisolução de polimento cal. Separa-se os eléctrodos de cerca de 2 cm. Verifique se a corrente resultante é entre 1-2 A.
  6. Pare de polimento eletroquímico após 2 min desligando a fonte de alimentação. Retire o ânodo e lave-o imediatamente separadamente com água ultra-pura, acetona e isopropanol.
  7. Seque a folha de Cu lavado com N 2 gás e armazená-lo em um recipiente seco.

2. Chemical Vapor Deposition (CVD) de grafeno em um Cu Foil 22-25

  1. Coloque um tubo de quartzo num forno de CVD e ligar-se o tubo para o resto da linha de gás, com acessórios de KF.
  2. Colocar uma folha de Cu polido electroquimicamente no topo de um barco de quartzo. Utilizando uma haste comprida e, empurrar o barco de quartzo no interior do tubo de quartzo até que a folha de Cu é colocado no centro do forno de CVD. Coloque o sistema com acessórios KF.
  3. Pump down do sistema com uma bomba de desbaste. Purga-se o sistema com H 2.
  4. Rampa até a temperatura de 10506; C com 200 sccm de H2. Hibridar a 1050 ° C com o mesmo caudal de gás durante 2 horas.
    Nota: A temperatura é medida através embutido termopar tipo K, num forno de tubo.
  5. Arrefecer a 1.030 ° C com o mesmo fluxo de gás. Cresça grafeno durante 10 min com 40 sccm CH 4 e 10 sccm de H2.
  6. Assim que o crescimento é mais, abrir o capô forno para esfriar rapidamente para baixo de responsabilidade civil. Manter o mesmo fluxo de gás.
  7. Uma vez que a temperatura está abaixo de 100 ° C, desligar o fluxo de gás.
  8. Desligue a bomba. Ventilar o sistema com N2 gasoso lentamente através da abertura da válvula de medição entre a linha de gás e o cilindro de gás de N2.
  9. Retire a amostra. Corte a folha de Cu em pedaços com dimensões desejadas.
  10. Conservar a amostra em um recipiente seco dentro de um exsicador.

3. Esfoliação mecânica 19-21 de h-BN em um Chip SiO 2

  1. Limpe um chip de SiO 2. Nota: O SiO 2 consiste de um chip de nm de espessura da camada de SiO 2 cerca de 285 em cima de um volume Si.
    1. Corte um wafer SiO 2 em cerca de 1 cm por 1 centímetro chips usando um escriba diamante.
    2. Lavar o chip SiO 2 com água e isopropanol. Mantenha a superfície de SiO2 coberta com água / isopropanol após cada lavagem.
    3. Inserir o chip de SiO 2 no revestidor de rotação para remover o líquido da sua superfície. Gire o chip com 3.000 rpm por 15 s.
    4. Verificar a limpeza do chip sob um microscópio óptico com configuração de campo escuro. Nota: Sob a configuração de campo escuro, impurezas sólidas aparecem como partículas brilhantes.
  2. Coloque um pano limpo SiO 2 chips, fita esfoliação, e cristal h-BN em uma mesa limpa com um microscópio óptico.
  3. Prepare duas tiras de fita: uma fita mãe e uma segunda fita. Coloque tanto na mesa com os seus lados pegajosos up. Coloque um cristal h-BN sobre o lado adesivo da fita pai.
  4. Coloque as stique lado da segunda fita sobre o cristal h-BN na fita mãe (de modo que os lados adesivo do segundo e fitas-mãe estão a tocar). Esfregue sobre o cristal suavemente para remover bolhas de ar.
  5. Descasque a segunda fita off para esfoliar o cristal h-BN para a segunda fita. Armazenar a fita mãe para uso futuro.
  6. Dobre a segunda fita em si, esfregar suavemente sobre o cristal, e retire a fita. Repetir este processo 10 vezes, dobrando a segunda fita de modo que os cristais do h-BN são transferidos para uma nova região de fresco a segunda fita de cada vez.
  7. Coloque um chip SiO2 limpo sob o microscópio. Furar a zona da segunda fita que contém o cristal h-BN no chip SiO2. Certifique-se de que a fita também adere ao suporte microscópio para garantir o chip durante o próximo passo esfoliação.
  8. Lentamente, puxe a fita, o acompanhamento do processo sob o microscópio. Como a fita é quase descascada, utilizar uma pinça de segurar o SiO2
  9. Uma vez que a fita é retirado, coloque o chip dentro de um forno de CVD. Recozer o chip ao ar a 500 ° C durante 2 horas.

4. Poli (metacrilato de metilo) (PMMA) 26-28 Transferência de Grafeno para h-BN / SiO2

  1. Coloque uma gota de PMMA (A4) no grafeno / Cu folha / grafeno. Spin-coat a folha com 3.000 rpm em 30 seg. Nota: Como FeCl 3 (aq) grava afastado a camada Cu durante o próximo passo de ataque químico, o grafeno backside vai cair enquanto a camada / grafeno PMMA permanecerá que não reagiu (Figura 2).
  2. Usando uma colher resistente FeCl3, deixe o revestido-spin Cu folha flutuador sobre as seguintes soluções, nesta ordem: 1,5 min em FeCl 3 (aq), 5 min em água ultra-pura, 1 min em FeCl 3 (aq), 5 min em água ultra-pura, 15 min em FeCl 3 (aq), 5 min em água ultra-pura, a 5 minutos a wate ultra-puraR, e 30 minutos em água ultra-pura. Prepare a cada banho de água ultra-pura num copo separado.
  3. Pesque a amostra / grafeno PMMA com um chip de 2 h-BN / SiO. Colocar sobre uma placa quente a 80 ° C durante 10 min para remover a água e a 180 ° C durante 15 min para relaxar 27 PMMA filme.
  4. Coloque a / grafeno / h-BN / SiO2 chip de PMMA em CH 2 Cl 2 O / N para dissolver a camada de PMMA.

5. Ar / H 2 O recozimento 29,30

  1. Colocar o tubo de quartzo no forno de CVD e ligar-se o tubo para o resto da linha de gás, com acessórios de KF.
  2. Coloque o grafeno / BN / SiO 2 de chip em um barco de quartzo. Utilizando uma haste comprida e, empurrar o barco de quartzo no interior do tubo de quartzo até que o chip é colocado no centro do forno de CVD. Coloque o sistema com acessórios KF.
  3. Pump down do sistema com uma bomba de desbaste. Purga-se o sistema com H 2 e Ar.
  4. Construir a pressão para 1 atm com 100 sccm de H 2 e 200 sccm Ar com uma válvula de medição. Uma vez que a pressão atinge 1 atm, ajustar o tamanho da abertura da válvula de medição para estabilizar a pressão a 1 atm.
  5. Rampa até a temperatura para 350 ° C e durante 5 h recozer com o mesmo fluxo de gás.
  6. Arrefecer a RT com o mesmo fluxo de gás.
  7. Uma vez que a temperatura está abaixo de 100 ° C, desligar o fluxo de gás. Feche todas as válvulas.
  8. Desligue a bomba. Ventilar o sistema com N2 gasoso lentamente através da abertura da válvula de medição entre a linha de gás e o cilindro de gás de N2.
  9. Retire a amostra. Verifique o número de camadas de grafeno e nível defeito com espectroscopia Raman 32. Verifique a sua limpeza / uniformidade ao microscópio óptico. Várias áreas de digitalização que aparecem limpo sob o microscópio óptico com microscópio de força atômica (AFM) para assegurar que a amostra parece limpa / uniforme em uma escala de comprimento pequenos (<500 nm) também.
  10. Armazená-lo em um recipiente seco dentro de umexsicador.

6. montagem de um dispositivo Grafeno Porta-sintonizável para STM Medição 2-5

  1. Evapora-se um 50 um por 50 um Au / Ti almofada de contacto para o Ar / H2 -annealed DCV grafeno / h-BN / SiO2 amostra.
    1. Fita da amostra para um palco em cima de um micromanipulador.
    2. Durante a monitorização com microscópio óptico, alinhar uma máscara de matriz com grafeno utilizando o micromanipulador de modo que o contacto Au / Ti será depositado nas proximidades da região de interesse, sem cobrir a superfície.
    3. Transfira a amostra com a máscara de matriz e um evaporador de feixe. Evaporar 10 nm de Ti em 3 Å / s. Cubra-se a camada de Ti por evaporação de 30-50 nm de Au em 3 Å / s na mesma sessão de evaporação sem quebrar vácuo. Nota: Como alternativa, 1 nm de Cr é um bom substituto para o 10 nm de Ti.
    4. Transfira a amostra com máscara de matriz de volta para o micromanipulador para remover a fase.
  2. <li> Monte a amostra numa placa de amostra ultra-high-vácuo (UHV).
    1. Coloque um pedaço fino de safira em uma placa de amostra UHV. Nota: Os safira age como uma camada isolante que impede o contato elétrico entre o Si e STM chão. Além disso, safira é um excelente condutor térmico para fins de amostra de recozimento.
    2. Colocar a amostra no topo da safira. Coloque outro pedaço fino de safira na amostra. Certifique-se de que a safira não cobre a superfície do grafeno.
    3. Prenda a estrutura de safira / sample / safira com uma braçadeira metálica. Assegure-se que toda a estrutura é rígida, ou então ele irá vibrar no interior de um MCT.
  3. Fio-bond os terminais UHV placa de amostra para contatos no dispositivo grafeno apropriar. Nota: Os eléctrodos Au / Ti são depositados para a terra, enquanto a maior parte de Si é o eléctrodo de porta ligado por fio (Figura 1) ligado por fio.
    1. Colocar a amostra montada sobre um fio de fase-ligação à terra.
    2. Identificar os locais dos contatos Au / Ti usando um microscópio óptico.
    3. Ligue um fio-bonder. Se o fio-bonder é pneumático, ligue N 2 gás. Defina o fio-bonder para fazer duas ligações.
    4. Usando um braço de ligação do fio-, coloque a ponta do fio Bonder na parte superior do terminal apropriado na placa de amostra de UHV. Mover para baixo e pressione suavemente a ponta do fio Bonder no terminal até que o fio-Bonder indica que a ligação está terminado.
    5. Passe um fio para o contato Au / Ti no dispositivo grafeno. Mover para baixo e pressione suavemente a ponta do fio para o Bonder contacto Au / Ti até que o fio-Bonder indica que a ligação está terminado.
    6. Utilizar um estilete de diamante para raspar alguns SiO2 na borda do chip de SiO 2 para expor o Si que vai ser utilizado como uma cópia de portão. Repetir o processo de duas de ligação para o Si exposta.
    7. Insira a amostra dentro de um UHV (10 -10 Torr) câmara de preparação e emparelhar o g-ligado fioraphene dispositivo em cerca de 300 ° C. Transferir o dispositivo para uma câmara de MCT.
      Nota: O dispositivo de grafeno deve ser recozido até a sua superfície parece limpa sob STM (ver Sec 8 do Protocolo.). O tempo de recozimento pode variar dependendo da limpeza inicial do dispositivo.

7. Calibração Dica STM sobre Au (111) Superfície 31

  1. / Gaguejar uma Au (111) Amostra Anneal no palco aquecedor em uma câmara de UHV para limpar / achatar a superfície Au. Hibridar durante 5 min a 375 ° C, e por pulverização catódica durante 5 min com Ar + feixe acelerado a 500 V. Transferência do Au (111) da amostra para a plataforma de varrimento STM.
  2. Aproxime-se uma superfície de Au (111) com uma ponta de STM. Aplicar 10 V pulsos na ponta do STM até uma Au (111) reconstrução espinha de peixe é claramente visível.
  3. Calibrar a ponta, ajustando a forma da ponta e comparar o diferencial condutância espectro dI / dV ao padrão Au (111) Espectro dI / dV. 31
  4. Digitalizar o Au (111) de superfície com 40 nm por 40 nm quadro para identificar uma área limpa / plano. Se a superfície tem uma alta densidade de arestas passo, mudar para uma nova área para digitalização.
  5. Delicadamente bater a ponta STM 0,4 a 1,0 nm em uma região limpa do (111) Au superfície; desta quebra controlada é referido como um botão "poke". Desligue o feedback e clique em "Tome Spectroscopy" para tomar um espectro dI / dV via lock-in para a resposta atual de uma tensão modulada ac (6 mV e 613,7 Hz) adicionados ao viés ponta.
    Nota: Uma vez que ac tensão modulada (6 mV e 613,7 Hz) é fornecido na ponta, a corrente de tunelamento resultante vai para o amplificador lock-in, que isola o componente da corrente com a mesma frequência e retorna sinal dI / dV. Ao gravar este sinal como o viés da amostra é varrida de -1,0 a 1,0 V, espectro dI / dV é gerado. Porque este programa é espectroscopia de home-escrito, a instrução para a tomada dea espectroscopia irá variar entre os diferentes programas.
  6. Verifique a curva dI / dV obtido contra uma Au standard (111) Espectro dI / dV (Figura 4). Verifique se o Au (111) estado de superfície está presente na / dl dV curva e que o espectro está ausente de qualquer característica anômala. Se a curva dI / dV medido não é aceitável, repita o puxão na etapa 7.3.2 até que a curva dI / dV parece com o mostrado na Figura 4.
  7. Depois forma da ponta e espectro dI / dV são otimizados, espere 15 a 30 minutos; se a ponta do STM é instável, espectro dI / dV vai mudar durante este intervalo de tempo. Retomar um espectro dI / dV em um local diferente para confirmar se a ponta do STM é estável ou não.
  8. Repita o puxão na etapa 7.3.2 se curva dI / dV mudou. Prossiga a varredura de grafeno se curva dI / dV mantém-se inalterado.

8. Scanning Grafeno

  1. Transfer o dispositivo de grafeno para uma fase de varredura STM.
  2. Use um microscópio óptico de longa distância para ver a ponta do STM e dispositivo de grafeno. Depois lateralmente alinhando a ponta e h-BN floco de interesse, a abordagem do grafeno.
  3. Comece a digitalizar a 2 nm por 2 Área nm. Lentamente ampliar a janela de verificação para 5 nm por 5 nm, 10 nm, por 10 nm, 15 nm por 15 nm, 20 nm por 20 nm, etc. Se um grande impureza (> 100 pm de altura) é encontrado, retirar a ponta e se mudar para uma área diferente.
  4. Tome um espectro dI / dV e compare com o espectro dI / dV padrão com o grafeno substrato / h-BN (ver Ref. 21). Se o espectro não é comparável, recalibrar a ponta sobre uma superfície Au (111) (veja Sec. 7 do Protocolo).
  5. Várias áreas de digitalização para ter uma noção de como frequentemente grande impureza (> 100 pm de altura) é encontrado. Com base nestas estatísticas, deduzir a limpeza da amostra.

9. Depositar Coulomb Impurezas em um Grafeno Surface 2-4

  1. Obter uma fonte de Ca. Calibrar a evaporação de átomos de Ca com um analisador de gás residual (RGA) e microbalança de cristal de quartzo (QCM) em uma câmara de teste de UHV. Nota: RGA avalia a pureza do depósito Ca enquanto QCM mede a taxa de deposição de Ca.
    1. Execute corrente através da fonte de Ca.
    2. Aumentar a corrente até uma pressão parcial de 10 Ca -10 Torr é detectada no espectro de massa RGA. Esteja ciente do fato de que Ca e Ar têm a mesma massa e, portanto, são indistinguíveis no RGA.
    3. Medir a taxa de deposição de Ca (camada / seg) com o QCM.
      1. Entrada a densidade (por exemplo, 1,55 g / cm 3 para o íon Ca) do depósito para converter o valor de mudança de freqüência à deposição taxa.
      2. O monitor taxa de deposição para a QCM lê a taxa de deposição em / s; para converter esta camada / seg, assumindo que a espessura de uma monocamada é igual ao diâmetro iónico (por exemplo, 0,228 a Para ião Ca) Do depósito.
    4. Determine a corrente ideal, ajustando a corrente até que o monitor taxa de deposição indica uma taxa de deposição desejada (por exemplo, 3,33 x 10 -5 camada / sec).
  2. Dada a taxa de deposição (por exemplo, 3,33 x 10 -5 camada / s) no passo 9.1.3, calcular o tempo (seg) para depositar a quantidade desejada (por exemplo, 0,01 monocamada) de Ca. No STM, depositar Ca sobre uma superfície Cu (100) in situ com a configuração atual óptima do passo 9.1.3. Verifique a cobertura de Ca e limpeza do pós-deposição de Cu (100) de superfície com STM (ver passo 8.5); recalibrar a configuração atual até que a condição da superfície Cu (100) sob STM aparece como esperado.
    Nota: Os parâmetros de deposição são optimizados em Cu (100) em primeiro lugar para minimizar o risco de contaminação do dispositivo grafeno com deposição mal controlada.
  3. Transferir o dispositivo grafeno para uma MCT para deposição em situ a4 K.
  4. Depósito carregada átomos de Ca sobre a superfície do grafeno.
    1. Antes de depositar Ca com o grafeno, outgass a fonte de Ca. Lentamente aumentar a corrente na fonte de 0,25 A a cada 5-10 min, até que a corrente desejada no passo 9.2 é atingido. Fechar um obturador entre o grafeno e fonte de Ca para evitar contaminantes desgaseificando de alcançar o grafeno.
    2. Deixe o fluxo de evaporação estabilizar durante 20 minutos antes de abrir o obturador.
    3. Abra o obturador e depósito desejável (por exemplo, 0,01 monocamada) quantidade de íons Ca na superfície do grafeno. Verifique se o dispositivo grafeno tem-linha de visão com a fonte de Ca. Certifique-se de que a ponta do STM está fora da linha de visão da fonte de Ca para evitar átomos Ca de degola para a ponta do STM.
  5. Verifique a cobertura de Ca e limpeza da superfície de grafeno pós-deposição com STM (ver Passo 8.5). Consulte Ref. 2, 3 e 4 para posterior protocolo do estudo de impurezas no grafeno Coulomb.

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Representative Results

A Figura 1 ilustra um esquema de um dispositivo fechado grafeno-volta. Au / Ti contato a um UHV motivos placa amostra grafeno eletricamente-soldagem de fios, enquanto fio-ligação Si em massa para um eletrodo que conecta a um circuito externo back-portões do dispositivo. Por um dispositivo, um estado de carga de uma impureza de Coulomb a uma dada amostra de polarização (a qual é controlada pela ponta do STM) pode ser sintonizado para um estado de carga diferentes acopladas de volta. 2-4

A Figura 2 descreve as etapas para a fabricação de um dispositivo de porta-grafeno sintonizável. A folha de Cu é primeiro eletroquimicamente polido para remover seu revestimento superficial de protecção e modificar a sua densidade de sementes crescimento. 23,24 Após polimento eletroquímico, a folha de Cu deve aparecer mais brilhante sob a olho nu do que antes como sua superfície deveria ter se tornado mais suave. A folha de Cu polido electroquimicamente, em seguida, actua como um substrato para o crescimento catalítica de DCV grafeno. O grafeno é então transferred sobre um substrato 2 h-BN / SiO através de transferência de PMMA. A amostra resultante é feita em uma atmosfera de Ar 2 / H e caracterizado (Figura 3). Posteriormente, ele é montado em um dispositivo fechado-back.

Antes da amostra é montada num dispositivo fechado para trás, a superfície de grafeno é caracterizada por um microscópio óptico (Figura 3A), a espectroscopia de Raman (Figura 3B), e AFM (Figura 3C). Com uma imagem de microscópio óptico, que é fácil para examinar a limpeza, continuidade, e o número de camadas de grafene ao longo de toda a amostra. Com um espectro de Raman, o número de camadas de grafene e nível de defeitos pode ser avaliada examinando a I L:. I 2D razão da intensidade de pico e intensidade de pico D, respectivamente 32 Com uma imagem AFM, várias características - limpeza, uniformidade, rugosidade da superfície, etc. - Da amostra pode ser confiavelmente evalmicas situadas em uma escala de comprimento pequenos (<500 nm). Uma boa amostra deve aparecer limpo, contínua, uniforme e monolayered sob as duas microscópio AFM e imagens ópticas. Além disso, uma boa amostra deve apresentar uma intensidade mínima D pico (um sinal de defeito mínima) e menos de 1: 2 proporção de I G: Eu 2D rácio de intensidade de pico (um sinal de monocamada) sob espectroscopia Raman 32.

Antes de o dispositivo pode ser caracterizada sob um STM, a ponta do STM deve ser calibrado em um Au (111) Superfície de dissociar os estados ponta do STM de estados de superfície da amostra, tanto quanto possível. Sem a calibração ponta, o diferencial de condutância espectro dI / dV aparecerá complicado devido a um forte acoplamento entre os estados de ponta e estados de superfície da amostra: em outras palavras, os dados MCT tomadas a partir de uma ponta não calibrada pode não representar a propriedade real da amostra . Para calibrar a ponta, a ponta do STM é impulsos repetitivos / cutucou em um Au (111) surface até que uma imagem de alta resolução de reconstrução de espinha de peixe (Figura 4A) podem ser obtidos e um espectro de di / dV aparece comparável com a norma Au (111) Espectro de dI / DV (Figura 4B). O espectro dI / dV deve apresentar um passo afiado na amostra V ≈ -0,5 V, que representa o início do Au (111) do estado de superfície. Além disso, o espectro dI / dV deve apresentar sem picos e depressões anômalas, que podem aparecer como artefatos ao efectuar medições de dI / DV com o grafeno.

Após a calibração ponta, a superfície da amostra é examinada com STM. A Figura 5A mostra um padrão Moiré para grafeno / h-BN, que surge a partir de uma incompatibilidade nas constantes de rede de grafeno e h-BN. O comprimento de onda de um padrão ondulado e depende do ângulo de rotação entre o grafeno e subjacentes reticulados h-BN: menor for o ângulo de torção, o comprimento de onda maior. Aparecimento de Moiré patte rn confirma a presença de grafeno limpo sobre um substrato h-BN. Uma vez que a superfície da amostra é examinada, os iões Ca estão depositados sobre grafeno, cujo relevo é mostrado na Figura 5B. Um padrão Moiré aparece no fundo da imagem. Átomos Ca Uma vez carregadas são depositados com sucesso, STM ponta pode construir núcleos artificial que consiste em múltiplos cobrado dímeros de Ca, empurrando cada dímero em pequenos clusters. Resultados do estudo MCT para cobradas Co e Ca adátomos são mostrados na Ref. 2 e 3 e Ref. 4, respectivamente.

Figura 1
Figura 1. Esquema de um dispositivo de grafeno porta-ajustável. O grafeno é aterrado para a placa de amostra, enquanto camada de Si se conecta a um eletrodo de porta através de fio-ligação 2-5. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

ntent "> Figura 2
. Figura 2. Os diagramas esquemáticos do processo de fabricação do dispositivo grafeno porta-sintonizável Os passos de fabrico de um dispositivo porta-sintonizável grafeno incluem: 1) crescimento DCV grafeno sobre uma folha de cobre polido electroquimicamente, 2) - 5) transferência de PMMA grafeno num h- BN / SiO 2 chips, 6) Ar / H 2 recozimento, 7) evaporação de contato Au / Ti, 8) a montagem em uma placa de amostra UHV e 9) fio-ligação. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura .

Figura 3
Figura 3. Pré-STM caracterização de um grafeno / h-BN / SiO 2 heterostructure. Imagem de microscópio óptico de grafeno / h-BN / SiO 2 heterostructure. (B) (A) Raman SPECTrum de grafeno SiO2 / região. Espectro de Raman de grafeno é caracterizado por D (~ 1.350 centímetros -1), G (~ 1.580 centímetros -1) e 2D (~ 2,690 centímetros) -1 picos 32 (C) microscópio de força atómica (AFM), imagem de grafeno. / h-BN / SiO2 região. Esta imagem é um mapa de altura feita com o modo de tocar AFM. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4
Figura 4. STM caracterização de Au (111) de superfície para a calibração ponta do STM. 31 (A) Topografia do Au (111) de superfície. (B) Padrão dI / dV espectro de Au (111) de superfície. Por favor clique aqui para ver um maior versão desta figura.

<p class = "jove_content"> Figura 5
Figura 5. STM Topografia de impurezas Coulomb sobre o grafeno. (A) padrão ondulado para grafeno / h-BN. 20,21 (B) Ca adátomos sobre o grafeno. 4 Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Discussion

Para caracterização, STM, objectivos essenciais do dispositivo de fabricação grafeno incluem: 1) crescimento monocamada grafeno com um número mínimo de defeitos, 2) a obtenção de um grande, limpo, uniforme, e a superfície contínua grafeno, 3) montagem de um dispositivo grafeno com alta resistência entre o grafeno e a porta (isto é, sem "perda de porta"), e 4) depositar impurezas individuais Coulomb.

O primeiro objectivo é governado pelo processo CVD, durante o qual grafeno cresce sobre uma folha de Cu. Embora existam vários candidatos de substrato (por exemplo, Ni, Ru, Ir, Pt, Co, Pd, etc), Cu é bem conhecido para produzir monocamada grafeno mais selectivamente, devido à sua solubilidade extremamente baixa de carbono. 25 No entanto, a crescer selectivamente grafeno monocamada pode ainda ser difícil e inconsistente devido a uma ampla gama de fatores. 22-25 Apesar de polimento eletroquímico certamente fornece uma condição substrato melhor para gcrescimento raphene, nossos caracterizações de AFM mostraram que a superfície de Cu permanece não-uniforme e rugosa sobre o nível microscópico. Além disso, o nível de contaminação a partir de resíduo químico pode variar a partir de folha de alumínio. Parâmetros de recozimento são essenciais para proporcionar de forma consistente uma superfície limpa e uniforme de Cu durante o crescimento. Emparelhamento do Cu a uma temperatura alta (1.050 ° C) perto do seu ponto de fusão (1085 ° C) com um elevado fluxo de hidrogénio (~ 200 sccm) parece proporcionar uma superfície limpa de forma consistente e uniforme de Cu com grandes domínios Cu. 22 O crescimento temperatura, regime de pressão, e CH 4: H razão da taxa de fluxo de 2 pode, então, ser sistematicamente optimizado até grafeno monocamada com um número mínimo de defeitos é obtido.

O segundo objetivo - a obtenção de um grande, limpo, uniforme e superfície contínua de grafeno - é regido pela transferência PMMA e Ar / H 2 recozimento. Embora haja um número diferente de tran grafenométodos Sfer (por exemplo, PMMA seco / PDMS de transferência 27, molhado PDMS de transferência 24, etc.), transferência de PMMA com FeCl solução 3 (aq) etchant 28 tem consistentemente produziu as superfícies de grafeno mais contínuas / uniforme. No entanto, este método deixa uma alta densidade de resíduo químico na superfície do grafeno. Para resolver este problema, a taxa eo tempo de revestimento de spin foram otimizados primeiro a fazer a camada de PMMA tão uniforme quanto possível. Além disso, foram introduzidas várias etapas de limpeza com banhos de água ultra-pura para remover resíduos químicos a partir da superfície traseira do grafeno antes de pesca-lo com um chip de 2 h-BN / SiO. A partir desses esforços, as amostras relativamente limpas, como visto por um microscópio óptico, foram transferidos de forma consistente. Nenhuma variação no método de transferência de PMMA, no entanto, pode-se limpar completamente a superfície do grafeno como sempre deixa uma fina camada de PMMA. Para obter uma superfície atomicamente limpa (MCT estudos exigem regiões limpas &# 62; 100 nm 2), uma série de procedimentos de hibridação deve ser realizada. Ar / H2 recozimento pode efectivamente remover a maioria da camada de PMMA. Depois de Ar / H 2 recozimento, 29 superfície do grafeno parece ser limpa sob inspeção por AFM ambiente (Figura 3). No entanto, uma camada fina PMMA indetectável por AFM ambiente ainda cobre a superfície do grafeno, o que exige mais in situ UHV recozimento para remover. É importante ter em mente que o pós-recozimento transferência só pode limpar apenas uma superfície relativamente resíduo-livre; limpeza final de uma amostra depende principalmente da transferência.

O terceiro objetivo - a montagem de um dispositivo de grafeno sem qualquer perda de porta - é regido por / H 2 passos pós-Ar de recozimento. Ao montar o dispositivo sobre uma placa de amostra, que é crítico para desligar electricamente o dispositivo do resto da placa de amostra com flocos de safira; o único contato elétrico entre tele provar placa eo dispositivo deve ser o fio-obrigações. Fio-colagem introduz o risco de quebrar o dispositivo se poder excessivo é fornecido como qualquer forma de fratura na camada de SiO2 (independentemente de quão pequena) pode levar a perda de porta. Parâmetros fio-ligação deve, portanto, ser otimizado antes do tempo. Devido perda de porta pode ocorrer não só no dispositivo, mas também ao longo da câmara de STM, uma grande quantidade de tempo e de recursos pode ser desperdiçado para identificar e corrigir a fonte de vazamento. É importante minimizar o risco de perda de porta durante a montagem de um dispositivo de grafeno.

O quarto gol - depositando impurezas Coulomb individuais - é regido pelas etapas de calibração antes da deposição. É imperativo para optimizar os parâmetros de deposição na câmara de ensaio (UHV e, adicionalmente, no Cu (100) de superfície in situ) para uma deposição controlada. Pureza da deposição tem de ser cuidadosamente avaliado com um RGA porque impu aleatóriodades não só irá distorcer a taxa de deposição medido por QCM mas também resultar em doping indesejada. Se o dispositivo foram irreversivelmente dopado por uma impureza desconhecida, a resposta do grafeno Coulomb para as impurezas pode ser indesejavelmente alterada.

Em adição a estes desafios, um estudo MCT pode ser limitada de várias maneiras. Em uma medição diferencial condutância, é impossível dissociar completamente as pontas estados electrónicos dos estados de amostra. Mesmo com uma ponta bem calibrado, pode ser um desafio para determinar a origem de uma característica espectroscópica. Além disso, as informações obtidas a partir de medições realizadas em UHV (10 -10 Torr) e uma T = 4 K pode não ser relevante para dispositivos operados em condições menos ideais.

Dito isto, STM tem muitas vantagens sobre outras técnicas. Não só tem uma resolução de alta energia (poucos meV), mas também uma alta resolução espacial (~ 10 horas). Para comparação, ARPES tem um r espacial relativamente inferioreSolution (sub-micron), mas uma resolução de energia comparável (alguns MeV). STM também pode ser usado para manipular a posição dos átomos individuais em um dispositivo para criar novas configurações de carga. Por exemplo, Yang et al. Criado núcleos artificiais de dímeros de Ca carregadas em um dispositivo grafeno fechado-back com uma ponta de STM e caracteriza um estado de colapso atômica na superfície do grafeno. 4 Com estas vantagens em mente, STM é um dos mais poderosos e técnicas fiáveis ​​para a caracterização da resposta espacialmente dependente de grafeno a várias perturbações num ambiente bem controlado.

MCT estudos de dispositivos de grafeno porta-tunable depositados com impurezas Coulomb são valiosos não só para testar teorias fundamentais, mas também para a compreensão aplicativos de dispositivos de grafeno híbrido. Eles podem verificar experimentalmente previsões fundamentais sobre o comportamento dos férmions de Dirac sem massa em novos sistemas, que exibem beha significativamente diferentevior comparação com portadores de carga em sistemas convencionais. 15-18 Além disso, esses estudos podem revelar algumas das características mais inesperada de grafeno 4, o que leva a uma compreensão mais profunda de portadores de carga em regimes relativistas. Uma nova visão sobre as leis físicas que regem os sistemas de grafeno será altamente benéfico para o ajuste de precisão das propriedades dos dispositivos de grafeno híbridos 2-5.

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Acknowledgements

Nossa pesquisa foi apoiada pelo Diretor do Escritório de Ciência, Instituto de Ciências Básicas da Energia do Departamento de Energia dos EUA Programa SP2 sob contrato não. DE-AC02-05CH11231 (STM instrumentação desenvolvimento e integração do dispositivo); o Escritório de Pesquisa Naval (caracterização dispositivo) e NSF prêmio nenhum. CMMI-1235361 (imagem dI / dV). MCT dados foram analisados ​​e rendeu usando o software WSxM. 33 DW e AJB foram apoiadas pelo Departamento de Defesa (DoD) através do Programa Nacional de Defesa Science & Engineering Graduate Fellowship (NDSEG), 32 CFR 168a.

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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