Fabrikasjon av Gate-tunbare Graphene enheter for scanning tunneling mikroskopi Studier med Coulomb Urenheter

1Department of Physics, University of California at Berkeley, 2Department of Chemistry, University of California at Berkeley, 3Department of Chemical and Biomolecular Engineering, University of California at Berkeley, 4National Institute for Materials Science (Japan), 5Materials Sciences Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, 6Kavli Energy NanoSciences Institute, University of California at Berkeley and Lawrence Berkeley National Laboratory
Engineering

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

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

Welcome!

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





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

 

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

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

Please note that all translations are automatically generated.

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

Abstract

På grunn av sin relativistiske lavenergiladningsbærere, samspillet mellom graphene og forskjellige urenheter fører til et vell av ny fysikk og grader av frihet til å styre elektroniske enheter. Spesielt er oppførselen til graphene er ladningsbærere som svar på potensialer fra ladede Coulomb urenheter spådd til å avvike vesentlig fra det av de fleste materialer. Scanning tunneling mikroskop (STM) og scanning tunneling spektroskopi (STS) kan gi detaljert informasjon om både den romlige og energiavhengighet av graphene elektroniske struktur i nærvær av et ladet urenhet. Utformingen av en hybrid urenhet-graphene enhet, fabrikkert ved hjelp av kontrollert deponering av urenheter på en back-gated graphene overflaten, har gitt flere nye metoder for regulerbar tuning graphene elektroniske egenskaper. 1-8 Elektro gating muliggjør kontroll av ladningsbærertettheten i graphene og evnen til å Reversibly tune lade 2 og / eller molekylære fem statene en urenhet. Dette notatet skisserer prosessen med å fabrikere en gate-tunbare graphene enhet dekorert med individuelle Coulomb urenheter for kombinerte STM / STS-studier. 2-5 Disse studiene gir verdifull innsikt i den underliggende fysikken, samt informasjonstavler for å designe hybrid graphene enheter.

Introduction

Graphene er et todimensjonalt materiale med en unik lineær bandet struktur, som gir opphav til sin eksepsjonelle elektriske, optiske og mekaniske egenskaper. 1,9-16 Sine lavenergiladningsbærere er beskrevet som relativistiske, masseløse Dirac fermioner 15, hvis oppførsel skiller seg vesentlig fra det som ikke-relativistiske ladningsbærere i tradisjonelle systemer. 15-18 kontrollert avsetning av et utvalg av urenheter på graphene gir en enkel og allsidig plattform for eksperimentelle studier av responsen av disse relativistiske ladningsbærere til en rekke perturbasjoner. Undersøkelser av slike systemer avslører at graphene urenheter kan skifte det kjemiske potensialet 6,7, endre den effektive dielektrisk konstant 8, og potensielt føre til elektronisk mediert superledning 9. Mange av disse studiene 6-8 ansette elektro gating som et middel til tuning egenskapene til hybrid impurity-graphene enhet. Elektrostatisk gating kan skifte det elektroniske struktur av et materiale med hensyn til sin Ferminivå uten hysterese. 2-5 Videre ved å justere ladning 2 eller molekylær 5 tilstander av slike urenheter, kan elektrostatisk gating reversibelt endre egenskapene til et hybrid-urenhet graphene enhet.

Back-gating en graphene enhet gir et ideelt system for etterforskning av scanning tunneling mikroskop (STM). En scanning tunneling mikroskop består av en skarp metalltupp holdt noen Ångstrom bort fra en ledende overflate. Ved å påføre en forspenning mellom spissen og overflaten, elektroner tunnel mellom de to. I den mest vanlige modus, konstant strømmodus, kan en kartlegge topografien av prøvens overflate av rasterskanne spissen og tilbake. I tillegg kan det lokale elektroniske struktur av prøven bli studert ved å undersøke en differensial konduktans dI / dV-spektrum, som er proporsjonal med de lokalensity av stater (LDOs). Denne målingen er ofte betegnet scanning tunneling spektroskopi (STS). Ved separat styring av skjevhet og tilbake-portspenninger, kan responsen av graphene urenheter bli undersøkt ved å analysere oppførselen til disse dI / dV spektra. 2-5

I denne rapporten, fabrikasjon av en back-gated graphene enhet dekorert med Coulomb urenheter (f.eks belastet Ca atomer) er skissert. Anordningen består av elementer i følgende rekkefølge (fra topp til bunn): Kalsium adatom og klynger, graphene, heksagonal bornitrid (BN-H), silisiumdioksyd (SiO 2), og bulk silisium (figur 1). h-BN er en isolerende tynn film, som gir en atomisk flat og elektrisk homogent substrat for det graphene. 19-21 h-BN og SiO 2 virker som dielektrikum, og bulk Si tjener som back-porten.

Å dikte enheten, graphene først dyrket på en elektrokjemmically polert Cu-folie 22,23, som virker som en ren katalytisk overflate for kjemisk dampavsetning (CVD) 22-25 av graphene. I en CVD vekst, metan (CH4) og hydrogen (H2) forløper gasser gjennomgår pyrolyse for å danne områder av graphene krystaller på Cu-folie. Disse domenene vokse og til slutt smelter sammen og danner et polykrystallinsk graphene ark. 25 Den resulterende graphene overføres til målsubstratet, en H-BN / SiO 2 brikke (fremstilt ved mekanisk eksfoliering av 19-21 h-BN på en SiO 2 / Si (100) chip), via poly (metylmetakrylat) (PMMA) overføring. 26-28 I PMMA overføringen, er den graphene på Cu første spinnbelagt med et lag av PMMA. Den PMMA / graphene / Cu prøven flyter da av en etsemiddel-løsning (som FeCl3 (aq) 28), som etser bort Cu. -Omsatt PMMA / graphene prøven fisket med en h-BN / SiO 2 chip og senererenset i et organisk løsningsmiddel (f.eks, CH 2Cl 2) og Ar / H2 miljø 29,30 for å fjerne PMMA laget. Den resulterende graphene / h-BN / SiO2 / Si prøven er da trådbundet til elektriske kontakter på en ultra-høy-vakuum (UHV) prøve plate og glødet i en UHV kammer. Til slutt blir den graphene anordningen deponert in situ med Coulomb urenheter (for eksempel, ladet Ca-atomer) og studert av STM. 2-5

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Elektrokjemisk Polering av Cu Folie 22,23

Merk: Elektrokjemisk polering eksponerer bart Cu overflate for graphene vekst ved å fjerne det beskyttende overflatebelegg og kontrollerer veksten frøet tetthet.

  1. Fremstille en elektrokjemisk polering løsning ved å blande 100 ml ultrarent vann, 50 ml etanol, 50 ml fosforsyre, 10 ml isopropanol, og 1 g urea.
  2. Skjær Cu folie inn flere 3 cm med 3 cm folier. Merk: Hver folie tjener som enten en anode eller en katode.
  3. Sett opp anode / katode ved å klemme en Cu folie vertikalt med en holder og koble den til riktig terminal på strømforsyningen.
    Merk: anode (positiv terminal) vil være elektropolert for graphene vekst.
  4. Før polering begynner, satt konstant spenning på 4,8 V i strømforsyningen.
  5. Slå på strømforsyningen så snart anoden og katoden er samtidig dyppes i electrochemical polering løsning. Separer elektrodene ved ca. 2 cm. Sjekk at strømmen er mellom 1-2 A.
  6. Stoppe elektrokjemisk polering etter 2 min ved å slå av strømforsyningen. Ta ut anoden og umiddelbart skylle det separat med ultrarent vann, aceton og isopropanol.
  7. Føne skylles Cu folie med N2 gass og lagre den i en tørr beholder.

2. kjemisk dampavsetning (CVD) av Graphene på en Cu Folie 22-25

  1. Plasser et kvartsrør i en CVD ovn og koble røret til resten av gassledningen med KF beslag.
  2. Legg inn en elektrokjemisk polert Cu folie på toppen av en kvarts båt. Ved hjelp av en lang stang, skyver kvarts båten i kvartsrøret inntil Cu folien er plassert i midten av CVD ovnen. Legg ved systemet med KF beslag.
  3. Pump ned systemet med en roughing pumpe. Tømme systemet med H 2.
  4. Rampen opp temperaturen til 10506; C med 200 sccm av H2. Gløding ved 1050 ° C med den samme gass-strøm i 2 timer.
    Merk: Temperaturen måles via innebygd Type K termoelement i et rør ovn.
  5. Kjøl ned til 1030 ° C med samme gasstrømmen. Grow graphene for 10 min med 40 SCCM CH 4 og 10 SCCM H 2.
  6. Så snart veksten er over, åpne opp ovnen panseret for å kjøle raskt ned Tort. Beholde samme gasstrømmen.
  7. Når temperaturen er under 100 ° C, skru av gasstrømmen.
  8. Slå av pumpen. Luft systemet med N2 gass ved langsomt å åpne ventilen måle mellom gassledningen og N2 gass-sylinder.
  9. Ta ut prøven. Skjær Cu folie i biter med ønskede dimensjoner.
  10. Lagre prøven i en tørr beholder inne i en eksikator.

3. Mekanisk Eksfoliering 19-21 av h-BN på en SiO 2 Chip

  1. Rengjør en SiO 2 chip. Merk: SiO 2 chip består av en omtrent 285 nm tykt SiO to lag på toppen av en bulk Si.
    1. Skjær en SiO 2 wafer inn ca 1 cm med 1 cm chips med en diamantspiss.
    2. Skyll SiO 2 chip med vann og isopropanol. Hold SiO 2 overflate dekket med vann / isopropanol etter hver skylling.
    3. Plasser SiO 2-brikken på spinnbeleggeren for å fjerne væske fra overflaten. Snurr chip med 3000 rpm i 15 sek.
    4. Sjekk renslighet av chip under en optisk mikroskop med mørke feltet setting. Merk: Under mørke felt innstilling, vises faste forurensninger som lyse partikler.
  2. Plasser en ren SiO 2 chip, peeling tape, og h-BN krystall på et rent bord med et optisk mikroskop.
  3. Forbered to strimler av tape: en forelder tape og en annen tape. Plasser begge på tabellen med sine klebrige siden opp. Plasser en h-BN krystall på den klebrige siden av den overordnede tape.
  4. Plasser sticky side av det andre båndet over h-BN krystall på den overordnede bånd (slik at det klebrige siden av den andre og den overordnede bånd er berøring). Gni over krystall forsiktig for å fjerne luftbobler.
  5. Skrell den andre tape av å eksfoliere h-BN krystall på den andre tape. Oppbevar den overordnede tape for fremtidig bruk.
  6. Brett den andre tape på seg selv, gni forsiktig over krystall, og skrelle av båndet. Gjenta denne fremgangsmåten 10 ganger, sammenlegg det andre båndet, slik at H-BN krystaller overføres til en frisk ny region av det andre båndet hver gang.
  7. Plasser en ren SiO 2 chip under mikroskopet. Stikk-regionen av det andre båndet inneholdende H-BN krystall på SiO2 chip. Sørg for at tapen holder seg også til mikroskopstativet for å sikre chip under den kommende peeling trinn.
  8. Sakte løsner tapen, overvåking prosessen under mikroskopet. Som tapen er nesten revet av, bruk en pinsett til å holde SiO 2
  9. Når båndet er skrellet av, plassere chip inne i en CVD ovn. Gløding brikken i luft ved 500 ° C i 2 timer.

4. Poly (metylmetakrylat) (PMMA) 26-28 Overføring av Graphene på h-BN / SiO 2

  1. Sett en dråpe PMMA (A4) på ​​graphene / Cu / graphene folie. Spin-coat folien med 3000 rpm i 30 sek. Merk: Som FeCl3 (aq) etser bort Cu sjiktet under den kommende etsetrinnet, vil baksiden graphene faller av mens PMMA / graphene lag vil forbli ureagert (figur 2).
  2. Ved hjelp av en FeCl3 motstandsdyktig skje, la spin-belagt Cu folie flyte på følgende løsninger i denne rekkefølgen: 1,5 min på FeCl3 (aq), 5 min på ultra-rent vann, 1 min på FeCl3 (aq), 5 min på ultra-rent vann, 15 min på FeCl3 (aq), 5 min på ultra-rent vann, 5 min på ultra-ren water, og 30 min på ultrarent vann. Forbered hver ultra-rent vannbad i et eget beger.
  3. Fisk PMMA / graphene prøven med en h-BN / SiO 2 chip. Plasser den på en varm plate ved 80 ° C i 10 min for å fjerne vann og ved 180 ° C i 15 minutter for å slappe av 27 PMMA film.
  4. Plasser PMMA / graphene / h-BN / SiO 2 chip i CH 2Cl 2 O / N for å oppløse PMMA lag.

5. Ar / H 2 Utglødning 29,30

  1. Plasser kvartsrøret på CVD ovnen og koble røret til resten av gassledningen med KF beslag.
  2. Plasser graphene / BN / SiO 2 chip på en kvarts båt. Ved hjelp av en lang stang, skyver kvarts båten i kvartsrøret til brikken er plassert på midten av CVD ovnen. Legg ved systemet med KF beslag.
  3. Pump ned systemet med en roughing pumpe. Tømme systemet med H2 og Ar.
  4. Bygge opp trykket til 1 atm med 100 sccm H 2 og 200 sccm Ar med en måleventil. Når trykket når en atm, justere åpningsstørrelse av måleventilen for å stabilisere trykket ved 1 atm.
  5. Rampe opp temperaturen til 350 ° C og glødning i 5 timer med den samme gass-strømmen.
  6. Avkjøl til RT med den samme gass-strømmen.
  7. Når temperaturen er under 100 ° C, skru av gasstrømmen. Lukke alle ventiler.
  8. Slå av pumpen. Luft systemet med N2 gass ved langsomt å åpne ventilen måle mellom gassledningen og N2 gass-sylinder.
  9. Ta ut prøven. Sjekk hvor mange graphene lag og defekt nivå med Raman-spektroskopi 32. Sjekk sin renhet / ensartethet henhold optisk mikroskop. Skann flere områder som vises ren under optisk mikroskop med atommikroskop (AFM) for å sikre at utvalget ser rent / uniform på en liten lengde skala (<500 nm) i tillegg.
  10. Oppbevar den i en tørr beholder inne i eneksikkator.

6. Sette sammen et Gate-tunbare Graphene Enhet for STM Måling 2-5

  1. Fordampe en 50 mikrometer med 50 mikrometer Au / Ti kontakt pad på Ar / H 2 -annealed CVD graphene / h-BN / SiO 2 prøven.
    1. Tape prøven på en scene på toppen av en micromanipulator.
    2. Mens overvåking med optisk mikroskop, justere en sjablong maske med graphene hjelp mikromanipluatoren slik at Au / Ti kontakt vil bli deponert nær regionen av interesse uten å dekke overflaten.
    3. Overfør prøven med sjablong maske til en e-beam fordamper. Fordampe 10 nm Ti på 3 A / sek. Dekke opp Ti lag ved å dampe 30-50 nm fra Au 3 Å / sek i samme fordampning økten uten å bryte vakuum. Merk: Alternativt er en nm av Cr en god erstatning for de 10 nm Ti.
    4. Overfør prøven med sjablongen masken tilbake til mikromanipluatoren for fjerning av scenen.
  2. <li> Monter prøven på en ultra-high-vakuum (UHV) prøve plate.
    1. Legg et tynt stykke safir på en UHV sample plate. Merk: safir virker som et isolerende lag som forhindrer elektrisk kontakt mellom Si og STM bakken. Videre er safir en utmerket varmeleder i den hensikt å prøve gløding.
    2. Plasser prøven på toppen av safir. Plasser en annen tynt stykke safir på prøven. Pass på at safir ikke dekker graphene overflaten.
    3. Fest safir / sample / safir struktur med en metallisk klemme. Sikre at hele strukturen er stiv eller det vil vibrere inne i en STM.
  3. Wire-obligasjon de UHV sample plate terminaler til passende kontakter på graphene enheten. Merk: De avsatte Au / Ti-elektroder er wire-bundet med jord, mens Si bulk er wire-bundet til portelektroden (figur 1).
    1. Plasser montert prøven på et jordet wire-binding scenen.
    2. Identifisere plassering av Au / Ti kontakter ved hjelp av en optisk mikroskop.
    3. Slå på en wire-bønder. Dersom ledningen-bønder er pneumatisk, slå på N2 gass. Sett wire-bønder å lage to obligasjoner.
    4. Ved hjelp av en wire-bonding arm, plasserer spissen av wire bønder på toppen av den aktuelle terminalen på UHV prøveplaten. Bevege seg ned og trykk forsiktig tuppen av wire bønder på koblings til wire-bønder indikerer at bindingen er fullført.
    5. Træ ledningen til Au / Ti kontakt på graphene enheten. Bevege seg ned og trykk forsiktig tuppen av wire bønder på Au / Ti kontakten inntil wire-bønder indikerer at bindingen er fullført.
    6. Bruk en diamantspiss til å skrape av litt SiO 2 på kanten av SiO 2 chip å avdekke Si som vil bli brukt som en back-gate. Gjenta to-bindingsprosess for den eksponerte Si.
    7. Sett prøven inne i en UHV (10 -10 Torr) prep kammeret og gløde trådbundne graphene enhet på rundt 300 ° C. Overfør enheten til en STM kammer.
      Merk: graphene enheten bør glødet til overflaten ser rent etter STM (se kapittel 8 av protokollen.). Glødetiden vil variere avhengig av den opprinnelige renslighet av enheten.

7. STM Tips Kalibrering på Au (111) Overflate 31

  1. Gløding / frese en Au (111) prøve på ovnen scenen i en UHV kammer å rense / flate Au overflaten. Gløding i 5 minutter ved 375 ° C, og frese i 5 minutter med Ar + bjelke akselerert til 500 V. Overfør Au (111) for å sample det STM skannetrinnet.
  2. Nærme en Au (111) overflaten med en STM tips. Påfør 10 V pulser på STM tips til en Au (111) fiskebein gjenoppbygging er godt synlig.
  3. Kalibrer spissen ved å justere spiss form og sammenlikne den differensielle konduktans dI / dV spekteret til standarden Au (111) dI / dV spektrum. 31
  4. Skanne Au (111) overflaten med 40 nm med 40 nm ramme for å identifisere et rent / flatt område. Hvis overflaten har en høy tetthet av trinn kanter, flytte til et nytt område for skanning.
  5. Forsiktig krasje STM tuppen 0,4 til 1,0 nm i et rent område av Au (111) overflate; dette kontrollert krasj er referert til som en "rote". Slå av tilbakemeldinger og klikk "Ta spek" -knappen for å ta en dI / dV spektrum via lock-in på nåværende responsen en ac modulert spenning (6 mV og 613,7 Hz) tilsatt til spissen bias.
    Merk: Når ac modulert spenning (6 mV og 613,7 Hz) er gitt på spissen, går den resulterende tunneling strøm i lock-forsterker, som isolerer komponenten av gjeldende med samme frekvens og returnerer dI / DV-signal. Ved å ta opp dette signalet som prøven skjevhet er feid fra -1,0 til 1,0 V, er dI / dV spektrum generert. Fordi dette spektroskopi programmet er hjemme skrevet, instruksjon for å taspektroskopi vil variere blant forskjellige programmer.
  6. Kontroller oppnådde dI / dV kurve mot en standard Au (111) dI / dV-spektrum (figur 4). Kontroller at Au (111) overflatetilstand er til stede i dI / dV kurve og at spekteret er fraværende i alle unormal funksjon. Hvis den målte dI / DV-kurven er ikke akseptabelt, gjentar rote i trinn 7.3.2 til dI / dV kurven ser ut som vist i Figur 4.
  7. Når spiss form og dI / dV spekteret er optimalisert, vente 15 til 30 min; hvis STM spissen er ustabil, blir dI / dV spektrum endres i løpet av dette tidsintervall. Gjenerobre en dI / dV spekteret på et annet sted for å bekrefte om STM tips er stabil eller ikke.
  8. Gjenta rote i trinn 7.3.2 hvis dI / dV kurve har endret seg. Fortsett å skanne graphene hvis dI / dV kurve er uendret.

8. Skanning Graphene

  1. Transfer graphene enheten til en STM skanning scenen.
  2. Bruk en langdistanse optisk mikroskop for å se STM tips og graphene enheten. Etter sideveis samkjøre spissen og h-BN flake av interesse, nærmer graphene.
  3. Begynne å skanne en 2 nm med 2 nm område. Sakte forstørre skannevinduet til 5 nm med 5 nm, 10 nm, med 10 nm, 15 nm med 15 nm, 20 nm med 20 nm, osv. Hvis en stor urenhet (> 100 pm i høyden) er oppstått, trekke spissen og flytte til et annet område.
  4. Ta en dI / dV spekteret og i forhold til standard dI / dV spektrum på graphene / h-BN substrat (se Ref. 21). Hvis spekteret er ikke sammenlignbare, kalibrere tuppen på en Au (111) overflate (se kap. 7 i Protocol).
  5. Skann flere områder for å få en følelse av hvor ofte stor urenhet (> 100 pm i høyden) er oppstått. Basert på denne statistikken, utlede renslighet av prøven.

9. Innskudd Coulomb urenheter på en Graphene surface 2-4

  1. Skaff en Ca kilde. Kalibrere fordampning av Ca atomer med en gjenværende gass analysator (RGA) og kvartskrystall mikro (QCM) i et UHV testkammer. Merk: RGA evaluerer renhet Ca innskudd mens QCM måler Ca avsetningshastighet.
    1. Kjør strøm gjennom Ca kilden.
    2. Øke strømmen til en Ca-partialtrykk på 10 torr -10 påvises i RGA massespektrum. Vær klar over det faktum at Ca og Ar har samme masse og derfor er utvisket i RGA.
    3. Mål Ca avsetningshastigheten (lag / sek) med QCM.
      1. Input tettheten (f.eks 1,55 g / cm3 for Ca ion) av innskuddet til å konvertere frekvens skift til deponering rate.
      2. Deponering rate monitor for QCM leser avsetningshastigheten i / s; konvertere dette til sjiktet / sek ved å anta at tykkelsen av et monolag er lik den ioniske diameter (for eksempel 0,228 Å for Ca ioner) Av innskuddet.
    4. Bestem optimal gjeldende ved å justere strøm til deponering rate monitor indikerer en ønsket avsetningshastighet (f.eks 3,33 x 10 -5 lag / sek).
  2. Gitt avsetningshastigheten (for eksempel, 3,33 x 10 -5 lag / sek) i punkt 9.1.3, beregne tiden (sek) for avsetning av den ønskede mengde (for eksempel, 0,01 monolag) av Ca. I STM, setter Ca på en Cu (100) overflate in situ med optimal aktuelle innstillingen fra trinn 9.1.3. Sjekk Ca dekning og renslighet av post-deponering Cu (100) overflaten med STM (se trinn 8.5); kalibrere den aktuelle innstillingen til Cu (100) overflate tilstanden under STM vises som forventet.
    Merk: Deponering parametrene er optimalisert på Cu (100) først å minimalisere risikoen for forurensning av graphene enhet med dårlig kontrollert deponering.
  3. Overfør graphene enheten til en STM for in situ deponering på4 K.
  4. Depositum belastes Ca atomer på graphene overflaten.
    1. Før deponering Ca på graphene, gasse Ca kilden. Langsomt øke strømmen av kilden ved 0,25 A hver 5-10 min inntil den ønskede strøm i trinn 9.2 er nådd. Lukke en lukker mellom graphene og Ca kilde for å hindre utgasset forurensninger fra å nå graphene.
    2. La fordampningen flux stabilisere seg i 20 min før du åpner lukkeren.
    3. Åpne lukkeren og depositum ønskelig (for eksempel 0,01 enkeltlag) mengde Ca ioner på graphene overflaten. Kontroller at graphene enheten har line-of-sight med Ca kilden. Pass på at STM spissen er ute av line-of-sight av Ca kilde for å hindre Ca atomer fester seg til STM spissen.
  5. Sjekk Ca dekning og renslighet av post-deponering graphene overflaten med STM (se trinn 8.5). Refererer til Ref. 2, 3 og 4 for ytterligere protokollen for studiet av Coulomb forurensninger på graphene.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 1 illustrerer et skjematisk riss av en tilbake-gated graphene enhet. Wire-binding Au / Ti kontakt til en UHV sample plate begrunnelse graphene elektrisk, mens wire-binding Si bulk til en elektrode som kobles til en ekstern krets back-porter enheten. Ved tilbake-gating en enhet, en ladetilstand en Coulomb urenhet ved en gitt prøve skjevhet (som er kontrollert av STM spiss) kan være innstilt til en annen ladetilstand. 2-4

Figur 2 beskriver fremgangsmåten for å fabrikere en gate-tunbare graphene enhet. En Cu folie først elektrokjemisk polert for å fjerne den beskyttende overflatebelegg og endre sin vekst frø tetthet. 23,24 Etter elektrokjemisk polering, bør Cu folie vises blankere under blotte øye enn før som overflaten burde blitt jevnere. Den elektrokjemisk polert Cu-folie virker deretter som et substrat for CVD katalytisk vekst av graphene. Graphene er så Transferred på en h-BN / SiO 2 underlaget via PMMA overføring. Den resulterende prøve renses i en Ar / H2-atmosfære og karakterisert (figur 3). Deretter blir det satt sammen til en tilbake-gated enhet.

Før prøven er satt sammen til en tilbake-gated-enheten, er graphene overflate kjennetegnes ved et optisk mikroskop (figur 3A), Raman-spektroskopi (figur 3B), og AFM (figur 3C). Med et optisk mikroskopbilde, er det lett å undersøke renslighet, kontinuitet, og antallet graphene lag gjennom hele prøven. Med et Raman-spektrum, kan antallet graphene lag og defekt nivå bli evaluert ved å undersøke I G: i. 2D toppintensitetsforhold og D toppintensitet, henholdsvis 32 med et AFM bilde, forskjellige trekk - renhet, ensartethet, overflateruhet, osv. - Av prøven kan bli pålitelig evallene evalueres på en liten lengdeskalaen (<500 nm). En god prøve skal vises ren, kontinuerlig, uniform, og monolayered under begge optisk mikroskop og AFM bilder. Videre bør en god prøve oppviser en minimal D toppintensitet (et tegn på minimal defekt) og mindre enn 1: 2-forhold av I G: I 2D toppintensitetsforhold (et tegn på monolayer) under Raman-spektroskopi 32.

Før enheten kan karakteriseres under en STM, må en STM tips kalibreres på en Au (111) overflate for å kople de STM tippe statene fra prøven overflatetilstander så mye som mulig. Uten spissen kalibreringen, vil den differensielle konduktans dI / dV spektrum vises convoluted på grunn av en sterk kobling mellom spissen tilstander og prøven overflatetilstander: med andre ord, kan STM-data tatt fra en ukalibrert spiss representerer ikke den virkelige egenskap til prøven . For å kalibrere spissen, er STM spissen gjentagelser pulset / pirket inn en Au (111) surface til et bilde med høy oppløsning av fiskebein rekonstruksjon (figur 4A) kan oppnås og et di / dV spektrum vises sammenlignbare med standard Au (111) dI / dV-spektrum (figur 4B). DI / dV spekteret bør utvise en skarp skritt V prøven ≈ -0,5 V, som representerer starten på Au (111) overflate tilstand. Videre bør dI / dV spekteret utviser ingen avvikende topper og fall, som kan vises som artefakter når du utfører dI / DV målinger på graphene.

Etter at spissen kalibreringen blir prøvens overflate undersøkt med STM. Figur 5A viser et moarémønster for graphene / h-BN, som oppstår fra en mistilpasning i gitterkonstant graphene og h-BN. Bølgelengden av et moarémønster er avhengig av rotasjonsvinkelen mellom graphene og underliggende h-BN gittere: mindre vridningsvinkel, større bølgelengde. Utseende av Moaré patte rn bekrefter tilstedeværelsen av ren graphene på en h-BN substrat. Når prøven overflaten er undersøkt, er Ca-ioner avsettes på graphene, hvis topografi er vist i figur 5B. Et moarémønster vises i bakgrunnen av bildet. Når ladede Ca atomer er vellykket deponert, STM tips kan konstruere kunstige kjerner som består av flere belastet Ca dimers ved å skyve hver dimer i små klynger. STM studie resultater for ladede Co og Ca adatom er vist i Ref. 2 og 3 og Ref. 4, henholdsvis.

Figur 1
Figur 1. Skjematisk av en gate-tunbare graphene enheten. Graphene er jordet til prøven plate mens Si lag kobles til en port elektrode gjennom wire-binding. 2-5 Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

ntent "> Figur 2
Fig. 2. Fremgangsmåte skjematisk av gate-avstembar graphene enheten fabrikasjon Trinnene for fremstilling av en gate-avstembar graphene anordningen omfatter: 1) CVD graphene vekst på en elektrokjemisk polert Cu-folie, 2) - 5) PMMA overføring av graphene på en h- BN / SiO 2 chip, 6) Ar / H 2 gløding, 7) fordampning av Au / Ti kontakt, 8) montering på en UHV sample plate, og 9) wire-binding. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet .

Figur 3
Figur 3. Pre-STM karakterisering av en graphene / h-BN / SiO 2 hetrostruktur. (A) Optisk mikroskop bilde av graphene / h-BN / SiO 2 hetrostruktur. (B) Raman SPECTrum av graphene / SiO 2 region. Raman-spektrum av graphene er karakterisert ved D (~ 1350 cm -1), G (~ 1580 cm -1) og 2D (~ 2690 cm -1) topper. 32 (C) atommikroskop (AFM) bilde av graphene / h-BN / SiO 2 region. Dette bildet er en høyde kart tas med tapping mode AFM. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 4
Figur 4. STM karakterisering av Au (111) overflate for STM tips kalibrering. 31 (A) Topografi av Au (111) overflate. (B) Standard dI / dV spekter av Au (111) overflate. Klikk her for å se et større versjon av denne figuren.

<p class = "jove_content"> Figur 5
Figur 5. STM Topografi av Coulomb urenheter på graphene. (A) moarémønster for graphene / h-BN. 20,21 (B) Ca adatom om graphene. 4 Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

For STM karakterisering, kritiske målene i graphene enheten fabrikasjon inkluderer: 1) økende enkeltlag graphene med et minimalt antall feil, 2) å skaffe en stor, ren, jevn og kontinuerlig graphene overflaten, 3) sette sammen en graphene enhet med høy motstand mellom graphene og porten (dvs. ingen "gate lekkasje"), og 4) å avsette de enkelte Coulomb urenheter.

Det første målet er styrt av CVD prosess hvor graphene vokser på en Cu folie. Selv om det finnes flere kandidater substrat (for eksempel Ni, Ru, Ir, Pt, Co, Pd, etc.), Cu er velkjent å fremstille monolaget graphene mest selektivt på grunn av den ekstremt lave karbon oppløselighet. 25 Ikke desto mindre, vokser selektivt monolag graphene kan likevel være vanskelig og inkonsekvent på grunn av en lang rekke faktorer. 22-25 Selv om elektrokjemisk polering absolutt gir et bedre substrat for betingelse graphene vekst, har våre AFM characterizations vist at Cu overflaten forblir ujevn og røff på mikroskopisk nivå. Videre kan graden av forurensning fra kjemiske rester varierer fra folie til folie. Annealing parametere er vesentlig for konsekvent å gi en ren og jevn overflate Cu under vekst. Gløding av Cu ved en høy temperatur (1050 ° C) i nærheten av sitt smeltepunkt (1085 ° C) med en høy strøm av hydrogen (~ 200 sccm) ser ut til å gi en gjennomgående ren og jevn overflate med store Cu Cu-domener. 22 Vekst temperatur, trykk regime, og CH4: H to strømningshastighet forhold kan deretter systematisk optimaliseres til monolag graphene med et minimalt antall feil er oppnådd.

Det andre målet - å få en stor, ren, jevn og kontinuerlig graphene overflate - er styrt av PMMA overføring og Ar / H 2 avspenning. Selv om det finnes en rekke forskjellige graphene transfer metoder (f.eks tørr PMMA / PDMS overføre 27, våt PDMS overføre 24, osv.), PMMA overførings med FeCl3 (aq) etchant løsning 28 har konsekvent gitt de kontinuerlige / uniform graphene overflater. Imidlertid går denne metoden en høy tetthet av kjemiske rester på graphene overflaten. For å løse dette problemet, ble det spin-belegg hastighet og tid først optimalisert for å gjøre PMMA lag så jevn som mulig. I tillegg ble flere rensetrinn med ultra-rent vann bad innført for å fjerne kjemiske rester fra graphene rygg overflaten før fisket den ut med en h-BN / SiO 2 chip. Fra disse forsøk, relativt rene prøver, som sees av et optisk mikroskop, er blitt overført konsekvent. Ingen variasjon i PMMA overføringsmetode, men kan helt rydde opp i graphene overflaten som det alltid etterlater et tynt lag av PMMA. For å oppnå en atomically ren overflate (STM studier krever rene regioner &# 62; 100 nm 2), må en serie av varmebehandlingsprosedyrer utføres. Ar / H 2 avspenning effektivt kan fjerne et flertall av PMMA lag. Etter Ar / H2 gløding, vises 29 det graphene overflaten for å være rent i henhold til inspeksjon av omgivelses AFM (figur 3). Likevel, et tynt PMMA lag oppdages av ambient AFM dekker fortsatt graphene overflaten, som krever ytterligere in situ UHV gløding å fjerne. Det er viktig å huske på at post-overføring annealing kan bare rense en relativt rest-fri overflate bare; en prøve ultimate renslighet avhenger i hovedsak av overføringen.

Det tredje målet - å sette sammen en graphene enhet uten gate lekkasje - styres av etter Ar / H 2 utglødningstrinn. Når du monterer enheten på en prøve plate, er det avgjørende å elektrisk koble enheten fra resten av utvalget plate med safir flak; den eneste elektriske kontakt mellom than smake plate og enheten bør være wire-obligasjoner. Wire-binding introduserer risikoen for å bryte anordningen dersom overdreven strøm leveres som en hvilken som helst form for brudd i SiO 2 lag (uansett hvor liten) kan føre til lekkasje gate. Wire-binding parametere må således være optimalisert på forhånd. Fordi gate lekkasje kan oppstå ikke bare i enheten, men også i hele STM kammeret, kan en stor mengde tid og ressurser kastes bort for å identifisere og fikse lekkasjen kilden. Det er viktig å minimalisere risikoen for lekkasje, mens porten monterer en graphene enhet.

Det fjerde målet - å deponere individuelle Coulomb urenheter - er styrt av trinnene kalibrerings før deponering. Det er viktig å optimalisere de avsetningsparametrene i UHV testkammeret (og i tillegg på Cu (100) overflate in situ) for en kontrollert deponering. Renheten av deponering må vurderes nøye med RGA fordi tilfeldig main dører strafftene vil ikke bare forskyve avsetningshastigheten målt ved QCM men også resultere i uønsket doping. Hvis enheten ble irreversibelt dopet av en ukjent urenhet, kan graphene respons på Coulomb urenheter uønsket endret.

I tillegg til disse utfordringene kan et STM studie begrenses på flere måter. I en differensial ledningsevne måling, er det umulig å fullstendig frikoble spissen elektroniske stater fra prøve stater. Selv med et godt kalibrert spissen, kan det være utfordrende å fastslå opprinnelsen til en spektroskopiske funksjonen. Videre informasjonen han fikk fra målinger utført i UHV (10 -10 Torr) og en T = 4 K kan ikke være relevant for enheter som drives i mindre ideelle forhold.

Når det er sagt, har STM mange fordeler fremfor andre teknikker. Det har ikke bare en høy energioppløsning (noen få MeV), men også en høy romlig oppløsning (~ 10 pm). For sammenligning har ARPES en relativt lavere romlig resolution (sub-micron), men en tilsvarende energi oppløsning (noen meV). STM kan også brukes til å manipulere posisjonen til enkeltatomer på en enhet for å lage nye charge konfigurasjoner. For eksempel Yang et al. Skapt kunstige kjerner av ladede Ca dimers på en back-gated graphene-enhet med en STM tips og karakterisert en atom kollaps tilstand på graphene overflaten. 4 Med disse fordelene i tankene, er STM en av de mektigste og pålitelig teknikk for å karakterisere romlig avhengig respons av graphene til forskjellige forstyrrelser i en godt kontrollert miljø.

STM studier av gate-tunbare graphene enheter avsatt med Coulomb urenheter er verdifulle, ikke bare for å teste grunnleggende teorier, men også for å forstå hybrid graphene enhets applikasjoner. De kan eksperimentelt verifisere grunnleggende spådommer om oppførselen til masseløse Dirac fermioner i nye systemer, som viser signifikant forskjellig Behavior forhold til ladningsbærere i konvensjonelle systemer. 15-18 Videre kan slike studier avslører noen av graphene mest uventede egenskaper 4, noe som fører til en dypere forståelse av ladningsbærere i relativistiske regimer. Ny innsikt i de fysiske lovene som styrer graphene systemer vil være svært gunstig for presisjon tuning av egenskapene til hybrid graphene enheter. 2-5

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgements

Vår forskning ble støttet av direktøren, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences i US Department of Energy sp2 Program under kontrakt no. DE-AC02-05CH11231 (STM instrumentering utvikling og enhet integrering); Office of Naval Research (enhet karakterisering), og NSF award nei. CMMI-1235361 (dI / DV bildebehandling). STM data ble analysert og gjengitt ved hjelp WSxM programvare. 33 DW og AJB ble støttet av det amerikanske forsvarsdepartementet (DoD) gjennom National Defense Science & Engineering Graduate Fellowship (NDSEG) Program, 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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Novoselov, K. S., et al. Electric field effect in atomically thin carbon films. Science. 306, (5696), 666-669 (2004).
  2. Brar, V. W., et al. Gate-controlled ionization and screening of cobalt adatoms on a graphene surface. Nat. Phys. 7, (1), 43-47 (2011).
  3. Wang, Y., et al. Mapping Dirac quasiparticles near a single Coulomb impurity on graphene. Nat. Phys. 8, (9), 653-657 (2012).
  4. Wang, Y., et al. Observing atomic collapse resonances in artificial nuclei on graphene. Science. 340, (6133), 734-737 (2013).
  5. Riss, A., et al. Imaging and tuning molecular levels at the surface of a gated graphene device. ACS Nano. 8, (6), 5395-5401 (2014).
  6. Chen, J. H., Jang, C., Adam, S., Fuhrer, M. S., Williams, E. D., Ishigami, M. Charged-impurity scattering in graphene. Nat. Phys. 4, (5), 377-381 (2008).
  7. Pi, K., et al. Electronic doping and scattering by transition metals on graphene. Phys. Rev. B. 80, (7), 075406 (2009).
  8. Jang, C., et al. Tuning the effective fine structure constant in graphene: Opposing effects of dielectric screening on short- and long-range potential scattering. Phys. Rev. Lett. 101, (14), 146805 (2008).
  9. McChesney, J. L., et al. Extended van Hove singularity and superconducting instability in doped graphene. Phys. Rev. Lett. 104, (13), 136803 (2010).
  10. Geim, A. K., Novoselov, K. S. The rise of graphene. Nat. Mater. 6, (3), 183-191 (2007).
  11. Wang, F., et al. Gate-variable optical transitions in graphene. Science. 320, (5873), 206-209 (2008).
  12. Lee, C., Wei, X. D., Kysar, J. W., Hone, J. Measurement of the elastic properties and intrinsic strength of monolayer graphene. Science. 321, (5887), 385-388 (2008).
  13. Zhang, Y., et al. Giant phonon-induced conductance in scanning tunneling spectroscopy of gate-tunable graphene. Nat. Phys. 4, (8), 627-630 (2008).
  14. Zhang, Y., Tan, Y. W., Stormer, H. L., Kim, P. Experimental observation of the quantum Hall effect and Berry’s phase in graphene. Nature. 438, (7065), 201-204 (2005).
  15. Novoselov, K. S., et al. Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene. Nature. 438, (7065), 197-200 (2005).
  16. Biswas, R. R., Sachdev, S., Son, D. T. Coulomb impurity in graphene. Phys. Rev. B. 76, (20), 205122 (2007).
  17. Novikov, D. S. Elastic scattering theory and transport in graphene. Phys. Rev. B. 76, (24), 245435 (2007).
  18. Pereira, V. M., Nilsson, J., Castro Neto, A. H. Coulomb impurity problem in graphene. Phys. Rev. Lett. 99, (16), 166802 (2007).
  19. Dean, C. R., et al. Boron nitride substrates for high-quality graphene electronics. Nat. Nanotechnol. 5, (10), 722-726 (2010).
  20. Xue, J., et al. Scanning tunnelling microscopy and spectroscopy of ultra-flat graphene on hexagonal boron nitride. Nat. Mater. 10, (4), 282-285 (2011).
  21. Decker, R., et al. Local electronic properties of graphene on a BN substrate via scanning tunneling microscopy. Nano Lett. 11, (6), 2291-2295 (2011).
  22. Yan, Z., et al. Toward the synthesis of wafer-scale single-crystal graphene on copper foils. ACS Nano. 6, (10), 9110-9117 (2012).
  23. Zhang, B., et al. Low-temperature chemical vapor deposition growth of graphene from toluene on electropolished copper foils. ACS Nano. 6, (3), 2471-2476 (2012).
  24. Li, X., et al. Large-area synthesis of high-quality and uniform graphene films on copper foils. Science. 324, (5932), 1312-1314 (2009).
  25. Zhang, Y., Zhang, L., Zhou, C. Review of chemical vapor deposition of graphene and related applications. Acc. Chem. Res. 46, (10), 2329-2339 (2013).
  26. Reina, A., et al. Transferring and identification of single-and few-layer graphene on arbitrary substrates. J. Phys. Chem. C. 112, (46), 17741-17744 (2008).
  27. Suk, J. W., et al. Transfer of CVD-grown monolayer graphene onto arbitrary subsrates. ACS Nano. 5, (9), 6916-6924 (2011).
  28. Regan, W., et al. A direct transfer of layer-area graphene. Appl. Phys. Lett. 96, (11), 113102 (2010).
  29. Ishigami, M., Chen, J. H., Cullen, W. G., Fuhrer, M. S., Williams, E. D. Atomic structure of graphene on SiO2. Nano Lett. 7, (6), 1643-1648 (2007).
  30. Dan, Y., Lu, Y., Kybert, N. J., Luo, Z., Johnson, A. T. C. Intrinsic response of graphene vapor sensors. Nano Lett. 9, (4), 1472-1475 (2009).
  31. Chen, W., Madhavan, V., Jamneala, T., Crommie, M. F. Scanning tunneling microscopy observation of an electronic superlattice at the surface of clean gold. Phys. Rev. Lett. 80, (7), 1469-1472 (1998).
  32. Saito, R., Hofmann, M., Dresselhaus, G., Jorio, A., Dresselhaus, M. S. Raman spectroscopy of graphene and carbon nanotubes. Adv. Phys. 60, (3), 413-550 (2011).
  33. Horcas, I., Fernandez, R., Gomez-Rodriguez, J. M., Colchero, J., Gomez-Herrero, J., Baro, A. M. WSXM: A software for scanning probe microscopy and a tool for nanotechnology. Rev. Sci. Instrum. 78, (1), 013705 (2007).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

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

    Usage Statistics