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

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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

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

Introduction

Le graphène est un matériau à deux dimensions avec une structure de bande linéaire unique, qui donne naissance à ses propriétés électriques, optiques et mécaniques exceptionnelles. 1,9-16 Ses porteurs de charge de faible énergie sont décrits comme relativistes sans masse de Dirac fermions, 15, dont comportement diffère significativement de celle des porteurs de charge non-relativistes dans les systèmes traditionnels. 15-18 dépôt contrôlé d'une variété d'impuretés sur le graphène fournit une plate-forme simple mais polyvalent pour les études expérimentales de la réponse de ces porteurs de charge relativistes à une gamme de perturbations. Les enquêtes sur ces systèmes révèlent que les impuretés de graphène peuvent décaler le potentiel chimique 6,7, modifier la constante diélectrique effective 8, et potentiellement conduire à la supraconductivité médiation électronique 9. Beaucoup de ces études 08.06 emploi déclenchement électrostatique comme moyen de mise au point des propriétés de l'hybride impurity-graphène appareil. Gating électrostatique peut changer la structure électronique d'un matériau par rapport à son niveau de Fermi sans hystérésis. 2-5 En outre, en réglant les frais 2 ou moléculaire 5 états de ces impuretés, ouverture de porte réversible électrostatique peut modifier les propriétés d'une impureté de graphène hybride dispositif.

Retour-gating un dispositif de graphène fournit un système idéal pour enquête par microscopie à effet tunnel (STM). Un microscope à effet tunnel est constitué d'une pointe métallique forte tenue quelques angströms loin d'une surface conductrice. En application d'une polarisation entre la pointe et la surface, les électrons tunnel entre les deux. Dans le mode le plus courant, le mode courant constant, on peut cartographier la topographie de la surface de l'échantillon par balayage récurrent de la pointe avant et en arrière. En outre, la structure électronique locale de l'échantillon peut être étudiée en examinant un spectre conductance différentielle dI / dV, qui est proportionnel au local density d'états (LDOS). Cette mesure est souvent appelée la spectroscopie tunnel à balayage (STS). En contrôlant séparément les tensions de polarisation de grille arrière et la réponse de graphène à des impuretés peut être étudiée par l'analyse du comportement de ces spectres dI / dV 5.2.

Dans ce rapport, la fabrication d'un dispositif de graphène back-gated décorée avec des impuretés Coulomb (par exemple, chargé atomes Ca) est décrite. Le dispositif se compose d'éléments dans l'ordre suivant (de haut en bas): adatomes de calcium et de clusters, le graphène, le nitrure de bore hexagonal (h-BN), le dioxyde de silicium (SiO 2), et le silicium massif (figure 1). h-BN est un film mince isolant, qui fournit un substrat atomiquement plat et homogène électriquement pour le graphène. 19-21 h-BN et SiO 2 acte comme diélectriques, et en vrac Si sert de grille arrière.

Pour fabriquer le dispositif, le graphène est d'abord cultivé sur une electrochequement poli 22,23 feuille de Cu, qui agit comme une surface propre catalytique pour le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) de 22 à 25 graphène. Dans une croissance par CVD, le méthane (CH 4) et d'hydrogène (H 2) de précurseurs gazeux subissent une pyrolyse pour former des domaines de cristaux de graphène sur la feuille de Cu. Ces domaines croître et éventuellement fusionnent, formant une feuille de graphène polycristallin. 25 Le graphène obtenu est transféré sur le substrat cible, un / SiO 2 puce h-BN (préparé par exfoliation mécanique de 19-21 h-BN sur un SiO 2 / Si (100) à puce), par l'intermédiaire de poly (méthacrylate de méthyle) (PMMA) transfert. 26-28 Dans le transfert PMMA, le Cu est de graphène premier spin-revêtue d'une couche de PMMA. L'/ graphène / Cu échantillon PMMA flotte alors sur une solution de gravure (par exemple, FeCl 3 (aq) 28), qui attaque à une distance de la Cu. L'échantillon PMMA / graphène n'a pas réagi est pêché à l'aide d'une puce h-BN / SiO 2 et la suitenettoyés dans un solvant organique (par exemple, un groupe CH 2 Cl 2) et Ar / H 2 29,30 environnement pour éliminer la couche de PMMA. Le graphène résultant / h-BN / SiO échantillon 2 / Si est alors de fil lié à des contacts électriques sur un ultra-vide (UHV) de la plaque de l'échantillon et recuite dans une chambre UHV. Enfin, le dispositif de graphène est déposé in situ avec des impuretés Coulomb (par exemple, chargé atomes Ca) et étudié par STM. 2-5

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Protocol

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

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

  1. Préparer une solution de polissage électrochimique en mélangeant 100 ml d'eau ultra-pure, 50 ml d'éthanol, 50 ml d'acide phosphorique, 10 ml d'isopropanol et 1 g d'urée.
  2. Couper feuille de Cu en plusieurs 3 cm par 3 cm feuilles. Note: Chaque feuille sert soit une anode ou une cathode.
  3. Mettre en place l'anode / cathode par clipsage une feuille de Cu verticalement avec un support et de le connecter à la borne appropriée de l'alimentation.
    Remarque: L'anode (borne positive) sera électrochimique poli pour la croissance de graphène.
  4. Avant le début du polissage, régler la tension constante de 4,8 V à l'alimentation.
  5. Allumez l'alimentation dès que l'anode et la cathode sont simultanément plongé dans le electrochemisolution de polissage cal. Séparer les électrodes d'environ 2 cm. Vérifiez que le courant résultant est entre 1-2 A.
  6. Arrêtez polissage électrochimique après 2 min en éteignant l'alimentation. Sortez l'anode et rincez-les immédiatement séparément avec l'eau ultra pure, de l'acétone, et l'isopropanol.
  7. Séchez la feuille de Cu rincé avec du gaz N 2 et le stocker dans un récipient sec.

2. Chemical Vapor Deposition (CVD) de graphène sur un Cu Foil 22-25

  1. Placez un tube de quartz dans un four de CVD et connecter le tube pour le reste de la ligne de gaz avec des raccords KF.
  2. Passer une feuille de Cu électrochimique poli sur le dessus d'un bateau de quartz. Utilisation d'une longue tige, pousser la nacelle de quartz dans le tube en quartz jusqu'à ce que la feuille de Cu est placé au centre du four de CVD. Joindre le système avec des raccords KF.
  3. Pomper le système avec une pompe primaire. Purger le système avec H 2.
  4. Montée en puissance de la température à 10506; C à 200 sccm de H 2. Recuit à 1050 ° C avec le même débit de gaz pendant 2 heures.
    Note: La température est mesurée par l'intermédiaire de haut-thermocouple de type K dans un four tubulaire.
  5. Refroidir à 1030 ° C avec le même débit de gaz. Cultivez graphène pendant 10 min avec 40 sccm CH 4 et 10 SCCM H 2.
  6. Dès que la croissance est terminée, ouvrir le capot du four pour refroidir rapidement le bas Tort. Garder le même débit de gaz.
  7. Une fois que la température est en dessous de 100 ° C, éteindre le débit de gaz.
  8. Éteignez la pompe. Purger le système avec du gaz N 2 en ouvrant lentement la vanne de dosage entre la conduite de gaz et la bouteille de gaz N 2.
  9. Sortez l'échantillon. Couper la feuille de Cu en morceaux avec des dimensions désirées.
  10. Conserver l'échantillon dans un récipient sec dans un dessiccateur.

3. L'exfoliation mécanique de 19-21 h-BN sur un SiO 2 Chip

  1. Nettoyer une puce SiO 2. Remarque: Le SiO 2 se compose d'une puce nm d'épaisseur couche de SiO 2 d'environ 285 sur le dessus d'un vrac Si.
    1. Couper une tranche en SiO 2 d'environ 1 cm par 1 cm puces utilisant une pointe en diamant.
    2. Rincer la puce SiO 2 avec de l'eau et de l'isopropanol. Gardez la surface de SiO 2 recouverte d'eau / isopropanol après chaque rinçage.
    3. Placez la puce SiO 2 sur la tournette pour enlever le liquide à sa surface. Spin la puce avec 3000 tours par minute pendant 15 secondes.
    4. Vérifier la propreté de la puce sous un microscope optique avec réglage de champ sombre. Remarque: En vertu de réglage de champ sombre, les impuretés solides apparaissent comme des particules lumineuses.
  2. Placez un SiO 2 puce propre, bande d'exfoliation, et le cristal h-BN sur une table propre avec un microscope optique.
  3. Préparer deux bandes de ruban: une bande de parent et une deuxième bande. Placez la fois sur la table avec leurs côtés collants en place. Placer un cristal h-BN sur le côté collant du ruban de parent.
  4. Placez les sticky côté de la deuxième bande sur le cristal h-BN sur la bande mère (de sorte que les côtés collants de la deuxième et parents bandes se touchent). Frottez sur le cristal doucement pour éliminer les bulles d'air piégées.
  5. Pelez la deuxième bande large pour exfolier le cristal h-BN sur la deuxième bande. Conservez la bande de parent pour une utilisation future.
  6. Plier la deuxième bande sur elle-même, frottez doucement sur le cristal, et de décoller la bande. Répétez ce processus 10 fois, le pliage de la deuxième bande de sorte que les cristaux de la h-BN sont transférés à une nouvelle région fraîche de la deuxième bande à chaque fois.
  7. Placez un SiO 2 puce propre sous le microscope. Collez la région de la deuxième bande contenant le cristal h-BN sur la puce SiO 2. Assurez-vous que la bande adhère également à la barre de microscope pour fixer la puce lors de la prochaine étape de l'exfoliation.
  8. Lentement peler le ruban, le suivi du processus sous le microscope. Comme la bande est presque détaché, utiliser une pince pour tenir le SiO 2
  9. Une fois que la bande est décollée, placer la puce à l'intérieur d'un four de CVD. Recuire la puce à l'air à 500 ° C pendant 2 heures.

4. Poly (méthacrylate de méthyle) (PMMA) de 26 à 28 sur le transfert de graphène h-BN / SiO 2

  1. Mettre une goutte de PMMA (A4) sur le graphène / Cu / feuille de graphène. Spin-coat la feuille avec 3000 tours en 30 secondes. Remarque: Comme FeCl3 (aq) décape loin la couche Cu cours de la prochaine étape de gravure, le graphène backside va tomber alors que la couche / de graphène PMMA restera pas réagi (Figure 2).
  2. Avec une cuillère résistant FeCl3, laissez la feuille de Cu flotteur de spin-enduit sur ​​les solutions suivantes dans cet ordre: 1,5 min sur FeCl3 (aq), 5 min à l'eau ultra-pure, 1 min sur FeCl3 (aq), 5 min sur de l'eau ultra-pure, 15 min sur FeCl 3 (aq), 5 min sur de l'eau ultra-pure, 5 min sur wate ultra-purer, et 30 min sur de l'eau ultra-pure. Préparer chaque bain eau ultra-pure dans un bécher séparé.
  3. Pêcher l'échantillon / PMMA de graphène avec une puce 2 h-BN / SiO. Placez-le sur une plaque chaude à 80 ° C pendant 10 min pour éliminer l'eau et à 180 ° C pendant 15 min pour se détendre 27 film de PMMA.
  4. Placez le / graphène / h-BN / SiO 2 puce PMMA dans CH 2 Cl 2 O / N pour dissoudre la couche de PMMA.

5. Ar / H 2 recuit 29,30

  1. Placer le tube de quartz sur le four de CVD et connecter le tube pour le reste de la ligne de gaz avec des raccords KF.
  2. Placez le graphène / BN / SiO 2 puce sur un bateau de quartz. En utilisant une longue tige, pousser le bateau de quartz dans le tube de quartz jusqu'à ce que la puce est placée au centre du four de CVD. Joindre le système avec des raccords KF.
  3. Pomper le système avec une pompe primaire. Purger le système avec H 2 et Ar.
  4. Etablir la pression de 1 atm avec 100 sccm H 2 et 200 sccm Ar avec une valve doseuse. Une fois que la pression atteint 1 atm, ajuster la taille de l'ouverture de la soupape de dosage afin de stabiliser la pression à 1 atm.
  5. La rampe jusqu'à la température de 350 ° C et recuit pendant 5 heures avec le même flux gazeux.
  6. Refroidir à la température ambiante avec le même débit de gaz.
  7. Une fois que la température est en dessous de 100 ° C, éteindre le débit de gaz. Fermer toutes les vannes.
  8. Éteignez la pompe. Purger le système avec du gaz N 2 en ouvrant lentement la vanne de dosage entre la conduite de gaz et la bouteille de gaz N 2.
  9. Sortez l'échantillon. Vérifiez le nombre de couches de graphène et niveau de défaut avec la spectroscopie Raman 32. Vérifiez la propreté / uniformité au microscope optique. Multiples zones de numérisation qui apparaissent propre sous le microscope optique avec microscope à force atomique (AFM) afin d'assurer que l'échantillon semble propre / uniforme à une petite échelle de longueur (<500 nm) ainsi.
  10. Conservez-la dans un récipient sec à l'intérieur d'undessiccateur.

6. Assemblage d'un graphène périphérique Porte-accordable pour STM mesure 2-5

  1. Évaporer un 50 um de 50 um Au / Ti plot de contact sur ​​la Ar / H 2 -annealed CVD graphène / h-BN / SiO 2 échantillon.
    1. Collez l'échantillon sur une étape au-dessus d'un micromanipulateur.
    2. Tout en surveillant au microscope optique, aligner un masque de stencil avec graphène en utilisant du micromanipulateur afin que le contact Au / Ti est déposé à proximité de la région d'intérêt sans recouvrir la surface.
    3. Transférer l'échantillon avec un masque de pochoir pour un évaporateur à faisceau électronique. Évaporer 10 nm de Ti à 3 A / sec. Couvrez-vous la couche Ti par évaporation 30-50 nm de Au à 3 Å / s dans la même session d'évaporation sans casser le vide. Remarque: Alternativement, 1 nm de Cr est un bon substitut pour le 10 nm de Ti.
    4. Transférer l'échantillon avec un masque de pochoir revenir à la micromanipulateur pour enlever la scène.
  2. <li> Placez l'échantillon sur une haute ultravide (UHV) plaque d'échantillon.
    1. Placez un mince morceau de saphir sur une plaque de l'échantillon UHV. Remarque: Les actes de saphir comme une couche isolante qui empêche le contact électrique entre le sol Si et STM. En outre, le saphir est un excellent conducteur thermique dans le but d'échantillon recuit.
    2. Placer l'échantillon sur le dessus du saphir. Placez un autre morceau mince de saphir sur l'échantillon. Assurez-vous que le saphir ne couvre pas la surface de graphène.
    3. Fixer la structure saphir / sample / saphir avec une pince métallique. Assurez-vous que toute la structure est rigide, ou bien il se met à vibrer dans un STM.
  3. Fil-bond au niveau des bornes de la plaque de l'échantillon UHV à approprier contacts sur le dispositif de graphène. Remarque: Les électrodes Au / Ti déposées sont fil lié à la masse tandis que la majeure Si est-fil lié à l'électrode de grille (Figure 1).
    1. Placer l'échantillon monté sur une scène wire-bonding terre.
    2. Identifier les emplacements des contacts Au / Ti en utilisant un microscope optique.
    3. Tourner sur un fil-colle. Si le fil-colle est pneumatique, allumez gaz N 2. Réglez le fil-colle pour faire deux liaisons.
    4. Utiliser un bras wire-bonding, placer la pointe de la colle de fil au-dessus de la borne appropriée sur la plaque de l'échantillon UHV. Déplacer vers le bas et appuyez doucement sur la pointe de la colle de fil sur le terminal jusqu'à ce que le fil colle indique que la liaison est terminée.
    5. Enfilez un fil au contact Au / Ti sur le dispositif de graphène. Déplacer vers le bas et appuyez doucement sur la pointe de la colle de fil sur le contact Au / Ti jusqu'à ce que le fil colle indique que la liaison est terminée.
    6. Utilisez une pointe en diamant pour gratter un peu SiO 2 sur le bord de la puce SiO 2 pour exposer le Si qui sera utilisé comme une grille arrière. Répétez le processus deux liaison pour le Si exposée.
    7. Insérez l'échantillon dans un UHV (10 -10 Torr) de la chambre de préparation et recuire le g de fil-collédispositif de raphene à environ 300 ° C. Transférer le dispositif à une chambre STM.
      Remarque: Le dispositif de graphène devrait être recuite jusqu'à sa surface semble propre sous STM (voir Sec 8 du Protocole.). La durée du recuit peut varier en fonction de la propreté initiale du dispositif.

7. STM Astuce étalonnage sur Au (111) Surface 31

  1. / Pulvériser une Au (111) de l'échantillon recuit sur la scène de chauffage dans une chambre UHV à nettoyer / aplanir la surface Au. Recuit pendant 5 min à 375 ° C, et de pulvérisation pendant 5 min avec un faisceau Ar + accélérés à 500 V. Transfert Au (111) de l'échantillon à l'étape de balayage de la STM.
  2. Approchez une surface Au (111) avec une pointe de STM. Appliquer 10 V des impulsions sur la pointe du STM jusqu'à une Au (111) la reconstruction de chevrons est clairement visible.
  3. Calibrer la pointe en ajustant la forme de pointe et en comparant la conductance différentielle spectre dl / DV à la norme Au (111) spectre dl / DV. 31
  4. Balayez l'Au (111) surface avec 40 nm de 40 nm cadre pour identifier un endroit propre / plat. Si la surface a une forte densité de bords des marches, passer à une nouvelle zone pour la numérisation.
  5. Écraser délicatement la pointe du STM 0,4 à 1,0 nm dans une région propre de la surface (111) Au; ce crash contrôlé est considéré comme un bouton "poke." Éteignez les évaluations et cliquez sur "Prenez Spectroscopy" de prendre un spectre dl / DV via lock-in sur la réponse actuelle d'une tension modulée en courant alternatif (6 mV et 613,7 Hz) ajouté à la polarisation de la pointe.
    Remarque: Une fois ac tension modulée (6 mV et 613,7 Hz) est prévu sur la pointe, le courant d'effet tunnel résultant entre dans l'amplificateur de verrouillage, qui isole la composante du courant avec la même fréquence et renvoie le signal dI / dV. En enregistrant ce signal que le biais de l'échantillon est balayé -1,0 à 1,0 V, le spectre dI / dV est généré. Parce que ce programme de spectroscopie est la maison-écrite, l'instruction pour prendrela spectroscopie varie entre les différents programmes.
  6. Vérifiez la courbe dI / dV obtenu contre une Au standard (111) spectre dl / DV (Figure 4). Assurez-vous que l'Au (111) état ​​de surface est présent dans le / la courbe dV dl et que le spectre est absent de toute caractéristique anormale. Si la courbe dI / dV mesurée est pas acceptable, répéter le coup dans l'étape 7.3.2 jusqu'à ce que la courbe dI / dV ressemble à celui montré à la figure 4.
  7. Une fois la forme de la pointe et le spectre dl / DV sont optimisés, attendez 15 à 30 min; si la pointe du STM est instable, le spectre dI / dV va changer au cours de cet intervalle de temps. Reprenez un spectre dI / dV à un endroit différent de confirmer si la pointe de la STM est stable ou non.
  8. Répétez le coup dans l'étape 7.3.2 si la courbe dI / dV a changé. Passez à numériser graphène se courbe dI / dV est inchangé.

8. Numérisation graphène

  1. Transfert le dispositif de graphène à un étage de balayage STM.
  2. Utiliser un microscope optique longue distance pour voir la pointe de la STM et le dispositif de graphène. Après aligner latéralement la pointe et h-BN flocons d'intérêt, l'approche du graphène.
  3. Lancer la numérisation d'un 2 nm par 2 zone nm. Lentement agrandir la fenêtre de numérisation à 5 nm de 5 nm, 10 nm, par 10 nm, 15 nm par 15 nm, 20 nm de 20 nm, etc. Si une grande impureté (> 100 h en hauteur) est rencontrée, retirer la pointe et de passer à une zone différente.
  4. Prenez un spectre dI / dV et de comparer le spectre norme dI / dV sur le graphène substrat / h-BN (voir Ref 21.). Si le spectre est pas comparable, recalibrer la pointe sur une surface Au (111) (voir chap. 7 du Protocole).
  5. Multiples zones de numérisation supplémentaires pour avoir une idée de la fréquence à grande impureté (> 100 h en hauteur) est rencontré. Selon ces statistiques, en déduire la propreté de l'échantillon.

9. dépôt Coulomb impuretés sur un graphène surface 2-4

  1. Obtenir une source Ca. Calibrer l'évaporation des atomes de calcium avec un analyseur de gaz résiduel (RGA) et microbalance à quartz (QCM) dans une chambre de test UHV. Remarque: RGA évalue la pureté du dépôt Ca alors QCM mesure un taux de dépôt Ca.
    1. Exécutez courant à travers la source Ca.
    2. Augmenter le courant jusqu'à une pression partielle de Ca 10 -10 Torr est détecté dans le spectre de masse RGA. Soyez conscient du fait que Ca et Ar ont la même masse et sont indiscernables dans la RGA donc.
    3. Mesurer la vitesse de dépôt Ca (couche / s) avec le QCM.
      1. Entrée de la densité (par exemple, 1,55 g / cm 3 pour ion Ca) du dépôt de convertir la valeur de décalage de fréquence à vitesse de dépôt.
      2. Le moniteur de fréquence de dépôt pour le QCM lit le taux de dépôt dans / s; convertir à cette couche / s en supposant que l'épaisseur d'une monocouche est égal au diamètre ionique (par exemple, 0,228 Å pour Ca ion) De la caution.
    4. Déterminer le courant optimal en réglant le courant jusqu'à ce que le moniteur de vitesse de dépôt indique une vitesse de dépôt souhaitée (par exemple, 3,33 x 10 -5 couche / s).
  2. Compte tenu de la vitesse de dépôt (par exemple, 3,33 x 10 -5 couche / s) à l'étape 9.1.3, calculer le temps (en secondes) pour déposer la quantité désirée (par exemple, 0,01 monocouche) de Ca. Dans la STM, déposer Ca sur une surface Cu (100) in situ avec le réglage actuel optimale de l'étape 9.1.3. Vérifiez la couverture Ca et la propreté de la post-dépôt Cu (100) surface avec STM (voir l'étape 8.5); recalibrer le réglage actuel jusqu'à ce que le Cu (100) état de surface sous STM affiche comme prévu.
    Remarque: les paramètres sont optimisés déposition sur Cu (100) premier à minimiser le risque de contamination du dispositif de graphène avec dépôt mal contrôlé.
  3. Transférer le dispositif de graphène à un STM pour le dépôt in situ au4 K.
  4. Fort chargé atomes de Ca sur la surface de graphène.
    1. Avant de déposer Ca sur le graphène, outgass la source Ca. Augmenter lentement le courant de la source de 0,25 A chaque 5-10 min jusqu'à ce que le courant souhaité à l'étape 9.2 est atteint. Fermez un obturateur entre le graphène et la source Ca pour empêcher la désorption de contaminants d'atteindre le graphène.
    2. Laissez le flux d'évaporation stabiliser pendant 20 minutes avant l'ouverture de l'obturateur.
    3. Ouvrez le volet et le dépôt souhaitable (par exemple, 0,01 monocouche) quantité d'ions Ca sur la surface de graphène. Veiller à ce que le dispositif de graphène possède une ligne de visée avec la source Ca. Assurez-vous que la pointe du STM est hors de la ligne de visée de la source Ca pour éviter atomes Ca de coller à la pointe du STM.
  5. Vérifiez la couverture Ca et la propreté de la surface de graphène post-dépôt avec STM (voir l'étape 8.5). Reportez-vous à la Réf. 2, 3, et 4 pour plus de protocole de l'étude d'impuretés Coulomb sur le graphène.

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Representative Results

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

La figure 2 illustre les étapes de fabrication d'un dispositif de graphène porte-accordable. Une feuille de Cu est d'abord électrochimiquement poli pour enlever son revêtement de surface de protection et de modifier sa densité de graines de la croissance. 23,24 Après polissage électrochimique, la feuille de Cu devrait apparaître brillants sous l'œil nu qu'avant que sa surface aurait dû devenir plus lisse. La feuille de Cu électrochimique poli agit alors comme un substrat catalytique pour la croissance CVD de graphène. Le graphène est ensuite transferred sur un substrat 2 h-BN / SiO par virement PMMA. L'échantillon résultant est nettoyé dans une atmosphère d'Ar 2 / H et caractérisé (figure 3). Par la suite, il est assemblé dans un dispositif de back-fermée.

Avant de l'échantillon est monté dans un dispositif de rétro-fermée, la surface de graphène est caractérisée par un microscope optique (figure 3A), la spectroscopie Raman (figure 3B), et AFM (figure 3C). Avec une image optique du microscope, il est aisé de vérifier la propreté, la continuité et le nombre de couches de graphène tout au long de la totalité de l'échantillon. Avec un spectre Raman, le nombre de couches de graphène et le niveau de défaut peut être évaluée par l'examen de la I G:. Je 2D ratio d'intensité maximale et l'intensité D de pointe, respectivement 32 Avec une image de l'AFM, diverses caractéristiques - la propreté, l'uniformité, la rugosité de surface, etc. - De l'échantillon peut être fiable evald'atténuations à une petite échelle de longueur (<500 nm). Un bon échantillon doit apparaître propre, continue, uniforme et monocouche sous les deux microscope AFM et images optiques. En outre, un bon échantillon doit présenter une intensité minimale de D de pointe (un signe de défaut minime) et moins de 1: 2 rapport de I G: Je 2D ratio d'intensité du pic (un signe de monocouche) en spectroscopie Raman 32.

Avant le dispositif peut être caractérisé en vertu d'un STM, une pointe de STM doit être étalonné sur une Au surface (111) de découpler les états provenant des états de surface de l'échantillon de pointe du STM autant que possible. Sans l'étalonnage de pointe, la conductance différentielle spectre dI / dV apparaîtra contourné en raison d'un couplage fort entre les Etats pointe et les états de surface de l'échantillon: en d'autres termes, les données de la STM prises à partir d'un embout calibré peuvent ne pas représenter la propriété réelle de l'échantillon . Pour calibrer la pointe, la pointe du STM est répétitive pulsé / fourré dans une Au (111) surface jusqu'à ce qu'une image haute résolution de la reconstruction de chevrons (figure 4A) peut être obtenu et un spectre dl / DV apparaît comparable à la norme Au (111) spectre dl / DV (figure 4B). Le spectre dl / DV doit présenter une étape forte au V échantillon ≈ 0,5 V, ce qui représente le début de l'Au (111) état ​​de surface. En outre, le spectre dl / DV doit présenter aucun pics et des creux anormales, qui peuvent apparaître comme des artefacts lors de l'exécution des mesures dl / DV sur le graphène.

Après l'étalonnage de pointe, la surface de l'échantillon est examiné avec la STM. La figure 5A montre un motif Moiré pour graphène / h-BN, qui découle d'une inadéquation dans les constantes de réseau de graphène et h-BN. La longueur d'onde d'un motif Moiré dépend de l'angle de rotation entre le graphène et réseaux h-BN sous-jacents: plus l'angle de torsion, plus la longueur d'onde. Apparence de Moiré patte rn confirme la présence de graphène sur un substrat propre h-BN. Une fois la surface de l'échantillon est examiné, les ions Ca sont déposés sur le graphène, dont la topographie est illustré à la figure 5B. Un motif moiré apparaît en arrière-plan de l'image. Atomes Ca Une fois chargées sont déposés avec succès, pointe STM peut construire noyaux artificiel constitué d'multiple chargée dimères Ca en poussant chaque dimère en petits groupes. Résultats de l'étude de la STM pour chargées adatomes Co et Ca sont présentés dans Réf. 2 et 3 et Réf. 4, respectivement.

Figure 1
Figure 1. Schéma d'un dispositif de graphène porte-accordable. Le graphène est fondée sur la plaque de l'échantillon alors que la couche de Si se connecte à une électrode de grille par un fil de liaison. 2-5 S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

ntent "> Figure 2
. Figure 2. schémas de processus de dispositif de graphène fabrication de porte-accordable Les étapes de fabrication d'un dispositif de graphène porte-accordable comprennent: 1) la croissance CVD de graphène sur une feuille de Cu électrochimique poli, 2) - 5) transfert de PMMA de graphène sur un h- BN / SiO 2 puce, 6) Ar / H 2 recuit, 7) évaporation de Au / Ti de contact, 8) de montage sur une plaque d'échantillon UHV, et 9) wire-bonding. S'il vous plaît, cliquez ici pour afficher une version plus grande de cette figure .

Figure 3
Figure 3. Pré-STM caractérisation d'un graphène / h-BN / SiO 2 hétérostructure. (A) Image en microscopie optique du graphène / h-BN / SiO 2 hétérostructure. (B) Raman spectrhum du graphène / SiO 2 région. Spectre Raman du graphène est caractérisé par D (~ 1 350 cm -1), G (~ 1 580 cm -1), et 2D (~ 2690 cm -1) pics 32 (C) Microscope à force atomique (AFM) image de graphène. / h-BN / SiO 2 région. Cette image est une carte de hauteur prises avec mode tapping AFM. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 4
Figure 4. STM caractérisation de Au (111) surface pour l'étalonnage de pointe du STM. 31 (A) Topographie de Au (111). (B) standard dl / spectre dV de Au (111). S'il vous plaît, cliquez ici pour afficher une plus grande version de ce chiffre.

<p class = "jove_content"> Figure 5
Figure 5. STM Topographie d'impuretés Coulomb sur le graphène. (A) pour la configuration de moirage graphène / h-BN. 20,21 (B) Ca adatomes sur le graphène. 4 S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

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Discussion

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

Le premier objectif est régi par le procédé CVD, au cours de laquelle le graphène croît sur une feuille de Cu. Bien qu'il existe plusieurs candidats de substrat (par exemple, Ni, Ru, Ir, Pt, Co, Pd, etc.) monocouche de graphène, Cu est bien connue pour produire une monocouche de graphène plus sélectivement en raison de sa très faible solubilité du carbone. 25 Néanmoins, croissance sélective peut encore être difficile et incohérente en raison d'un large éventail de facteurs. 22-25 Bien polissage électrochimique fournit certainement une meilleure condition de substrat pour gla croissance de raphene, nos caractérisations de l'AFM ont montré que la surface Cu reste non uniforme et rugueux au niveau microscopique. En outre, le niveau de contamination par des résidus chimiques peut varier d'une feuille de papier d'aluminium. paramètres de recuit sont essentiels pour fournir systématiquement une surface Cu propre et uniforme pendant la croissance. Recuire le Cu à haute température (1050 ° C) à proximité de son point de fusion (1 085 ° C) avec un débit élevé de l'hydrogène (~ 200 sccm) semble offrir une surface Cu toujours propre et uniforme avec de grands domaines Cu. 22 La croissance température, régime de pression, et CH 4: H 2 rapport de débit peut alors être systématiquement optimisée jusqu'à monocouche de graphène avec un nombre minimal de défauts est obtenue.

Le deuxième objectif - obtenir un grand, propre, uniforme, et la surface de graphène continue - est régi par le transfert PMMA et Ar / H 2 recuit. Bien qu'il existe un certain nombre de différents graphène tranméthodes SFER (par exemple, le PMMA sec / transfert PDMS 27, PDMS humide transfert 24, etc.), transfert PMMA avec FeCl solution 3 (aq) de gravure 28 a constamment permis surfaces de graphène les plus continues / uniforme. Cependant, cette méthode laisse une densité élevée de résidu chimique sur la surface de graphène. Pour résoudre ce problème, le taux et le temps spin-coating ont d'abord été optimisées pour réaliser la couche de PMMA aussi uniforme que possible. En outre, de multiples étapes de nettoyage avec des baignoires d'eau ultra-pure ont été introduites pour enlever les résidus de produits chimiques de la surface arrière du graphène avant le pêcher avec une puce 2 h-BN / SiO. A partir de ces efforts, des échantillons relativement propres, comme on le voit par un microscope optique, ont été transférés de manière cohérente. Aucune variation de la méthode de transfert PMMA, cependant, peut nettoyer complètement la surface de graphène comme il laisse toujours une fine couche de PMMA. Pour obtenir une surface atomiquement propre (études de STM exigent régions propres &# 62; 100 nm 2), une série de procédures de recuit doit être effectué. Ar / H 2 recuit permet d'éliminer efficacement une majorité de la couche de PMMA. Après Ar / H 2 recuit, 29 la surface de graphène semble être propre sous inspection par l'AFM ambiante (Figure 3). Pourtant, une couche de PMMA mince indétectable par l'AFM ambiante couvre encore la surface de graphène, qui exige en outre situ UHV recuit pour enlever. Il est important de garder à l'esprit que le transfert post-recuit ne peut nettoyer une surface relativement sans résidu seulement; propreté ultime d'un échantillon dépend principalement sur le transfert.

Le troisième objectif - assemblage d'un dispositif de graphène sans aucune fuite de grille - est régi par / H 2 étapes-Ar poste de recuit. Lors du montage de l'appareil sur une plaque de l'échantillon, il est essentiel de débrancher électriquement le dispositif du reste de la plaque de l'échantillon avec des flocons de saphir; le seul contact électrique entre til échantillonner plaque et le dispositif devrait être les fils-obligations. Wire-bonding introduit le risque de casser l'appareil si l'alimentation fournie est trop élevée comme toute forme de fracture dans la couche de SiO 2 (indépendamment de leur taille) peut entraîner une fuite de grille. Paramètres Wire-collage doivent donc être optimisés à l'avance. Parce que les fuites de grille peut se produire non seulement dans l'appareil, mais aussi dans toute la chambre STM, une grande quantité de temps et de ressources peut être gaspillé pour identifier et corriger la source de la fuite. Il est important de réduire au minimum le risque de fuite de grille lors de l'assemblage d'un dispositif de graphène.

Le quatrième objectif - le dépôt d'impuretés Coulomb individuels - est régie par les étapes d'étalonnage avant le dépôt. Il est impératif d'optimiser les paramètres de dépôt dans la chambre de test (UHV et en outre sur le Cu (100) surface in situ) pour un dépôt contrôlé. Pureté du dépôt doit être soigneusement évaluée avec un RGA parce IMPU aléatoirerités ne sera pas seulement de fausser le taux de dépôt mesurée par QCM mais aussi entraîner dopage indésirable. Si l'appareil a été dopé de façon irréversible par une impureté inconnue, la réponse du graphène de Coulomb impuretés peut être modifiée de manière indésirable.

En plus de ces défis, une étude de la STM peut être limitée de plusieurs manières. Dans une mesure de la conductance différentielle, il est impossible de dissocier complètement les états électroniques de pointe des Etats-échantillon. Même avec une pointe bien calibré, il peut être difficile de déterminer l'origine d'une caractéristique spectroscopique. En outre, l'information obtenue à partir de mesures effectuées dans UHV (10 -10 Torr) et un T = 4 K peut ne pas être pertinents à des appareils exploités dans des conditions moins idéales.

Cela étant dit, la STM a de nombreux avantages par rapport à d'autres techniques. Il a non seulement une résolution de haute énergie (quelques meV) mais aussi une haute résolution spatiale (~ 10 h). A titre de comparaison, ARPES a une r spatiale relativement faibleRESOLUTION (sub-micronique), mais une résolution d'énergie comparable (peu de MeV). STM peut également être utilisée pour manipuler la position des atomes individuels sur un dispositif pour créer de nouveaux configurations de charge. Par exemple, Yang et al. Créé noyaux artificiels de dimères Ca chargés sur un dispositif de graphène back-fermée, avec une pointe de STM et caractérisé un état ​​d'effondrement atomique sur la surface de graphène. 4 Avec ces avantages à l'esprit, la STM est l'un des plus puissants et des techniques fiables pour caractériser la réponse spatialement dépendante du graphène à diverses perturbations dans un environnement bien contrôlé.

Études STM de dispositifs de graphène porte-accordable déposés auprès impuretés Coulomb sont précieux non seulement pour tester des théories fondamentales, mais aussi pour la compréhension des applications de dispositifs hybrides de graphène. Ils peuvent vérifier les prédictions expérimentalement fondamentales sur le comportement de fermions sans masse de Dirac dans de nouveaux systèmes, qui présentent Beha significativement différenteVior rapport à des porteurs de charge dans les systèmes conventionnels. 15-18 En outre, de telles études peuvent révéler certains des plus inattendus caractéristiques de graphène 4, ce qui conduit à une compréhension plus profonde de porteurs de charge dans les régimes relativistes. Un nouvel éclairage sur les lois physiques qui régissent les systèmes de graphène sera très bénéfique pour la précision de réglage des propriétés des dispositifs de graphène hybrides. 2-5

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Acknowledgements

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