对于扫描隧道显微学与库仑杂质制造门可调谐石墨烯器件

Summary

This paper details the fabrication process of a gate-tunable graphene device, decorated with Coulomb impurities for scanning tunneling microscopy studies. Mapping the spatially dependent electronic structure of graphene in the presence of charged impurities unveils the unique behavior of its relativistic charge carriers in response to a local Coulomb potential.

Abstract

由于其相对论低能量的电荷载体，石墨和各种杂质之间的相互作用导致了大量新的物理和自由度来控制电子设备的。特别是，石墨烯的电荷载体从带电库仑杂质响应于电位的行为被预测为从大多数材料的显著不同。扫描隧道显微镜（STM）和扫描隧道谱（STS）可以提供关于石墨烯的电子结构中带电荷的杂质的存在下既在空间和能源的依赖的详细信息。混合杂质石墨烯器件的设计，制造使用的杂质来控制沉积在背面门控石墨烯表面上，使若干新颖方法，用于可控地调谐石墨烯的电子特性^。1-8静电门控使得在石墨烯的电荷载流子密度控制并能够黑白棋布莱调充电²和/或杂质的分子^5个状态。本文概述制造装饰有个别库仑杂质为组合的STM / STS研究栅极可调石墨烯器件的方法^。2-5这些研究提供了有价值的见解底层物理，以及用于设计杂交石墨烯器件的路标。

Introduction

石墨烯是一种具有独特的线性带结构，这产生了其具有卓越的电气，光学和机械性质的二维材料^。1,9-16它的低能量的电荷载体被描述为相对论，无质量狄拉克费米子^15，其行为从在传统系统非相对论电荷载体显著不同。的各种杂质^15-18受控沉积到石墨烯提供了一种简单而通用的平台的这些相对论电荷载体的范围扰动的响应的实验研究。这种系统的调查表明，石墨烯杂质可以转移化学势^6,7，改变有效介电常数^8，并有可能导致电子介导的超导^9。许多这样的研究^6-8雇用静电门控，以调整混合impurit的特性的装置Y型石墨烯器件。静电门控可相对于它的费米能级没有滞后^2-5此外移位的材料的电子结构，通过调整这些杂质的电荷²或分子^5个州，静电门控可以可逆地修改混合杂质石墨烯的特性装置。

背门控石墨烯器件提供了用于调查通过扫描隧道显微镜（STM）的理想系统。扫描隧道显微镜是由从导电表面的几埃客场举行了锋利的金属尖的。通过将两者之间的尖端与表面时，电子隧道之间的偏差。在最常见的方式，恒定电流方式，人们可以通过光栅扫描的前端来回映射样品表面的形貌。此外，样品的局部电子结构可通过检查一个微分电导的dI /的dV谱，它正比于局部去加以研究状态nsity器（LDO）。该测量通常被称为扫描隧道谱（STS）。通过单独控制偏置和背栅极电压，石墨烯的杂质的反应可以通过分析这些的dI / DV光谱的行为进行了研究^。2-5

在这份报告中，饰以库仑杂质的背门控石墨烯器件的制造（ 如钙带电原子）概述。该装置由按以下顺序（从顶部到底部）的元素：钙吸附原子和集群，石墨烯，六方氮化硼（的h-BN），二氧化硅（SiO _2）的，与体硅（ 图1）。的h-BN是一种绝缘薄膜，它提供了一个原子级平坦，并电同质衬底用于将石墨烯^19-21的h-BN和SiO ₂充当电介质，和体Si用作背栅。

为了制造该装置，石墨烯，首先生长在一个electrochemically抛光Cu箔^22,23，它作为一个干净的催化表面的化学气相沉积（CVD）石墨^22-25。 CVD生长，甲烷（CH _4）和氢（H _2）的前驱物气体发生热解，从而在Cu箔石墨晶体的结构域。将得到的石墨烯转印到目标衬底这些域成长，最终合并在一起，形成一个多晶石墨烯片^25中 ，一个的h-BN / SiO ₂的芯片（制备的h-BN的机械剥离^19-21上的SiO ₂ /硅（100）芯片）， 通过聚（甲基丙烯酸甲酯）（PMMA）的传输^。26-28在聚甲基丙烯酸甲酯转移，在Cu的石墨烯是第一旋涂上一层聚甲基丙烯酸甲酯。聚甲基丙烯酸甲酯/石墨烯/铜样品，然后在一个蚀刻剂溶液漂浮（ 例如， _氯化铁^{（AQ）28），}该蚀刻掉铜。未反应的聚甲基丙烯酸甲酯/石墨烯样品捕捞用的h-BN / SiO ₂的芯片，并随后在一种有机溶剂清洗（ 例如，CH ₂ Cl ₂中），和Ar / H ₂环境^29,30去除的PMMA层。所得石墨烯/的h-BN /的SiO ₂ / Si的样品是则引线键合到上的超高真空（UHV）样品板的电接触并退火在超高真空腔室中。最后，该石墨烯器件淀积就地与库仑杂质（ 例如，带电荷的钙原子），并研究由STM ^2-5

Protocol

的Cu箔22,23 1.电化学抛光注意：电化学抛光暴露出裸铜表面的石墨烯生长除去保护表面涂层，并控制生长种子密度。 通过混合100毫升超纯水，加入50ml乙醇，加入50ml磷酸，将10毫升异丙醇和1g尿素制备的电化学抛光溶液。 切铜箔成多个3厘米3厘米箔。注意：每个箔用作阳极或阴极。 通过垂直剪裁的Cu箔上保持器和将其连接到电源的相应的终端设置了?…

Representative Results

图1示出了背门控石墨烯器件的示意图。导线接合对Au / Ti接触到一个超高真空样品板为由石墨电，而引线接合的Si散装于连接到一个外部电路背栅的装置中的电极。通过背门控装置，由库仑杂质的在给定的样品偏压的电荷状态（这是由STM针尖控制）可以被调谐到不同的电荷状态。2-4 图2概述的步骤用于制造栅极可调石墨烯器件。铜箔第一电化?…

Discussion

对于STM表征，所述石墨烯器件制造的关键目标包括：1）生长单层石墨烯的缺陷最少数量，2）获取一个大的，干净的，均匀的和连续的石墨烯表面上，3）装配用之间的高电阻的石墨烯器件石墨烯和栅极（ 即，没有“栅极泄漏”），以及4）单独库仑杂质沉积。

第一个目标是通过CVD工艺，在此期间，石墨烯生长在Cu箔的管辖。虽然有多个基板的候选（ 例如，镍，钌…

Materials

Cu foil	Alfa Aesar	CAS # 7440-50-8	99.8% Cu
		Lot # F22X029
		Stock # 13382
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	Contact the group	hexagonal Japanese BN (JBN)
	T. Taniguchi Group
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