कूलम्ब अशुद्धियों के साथ स्कैनिंग टनलिंग सूक्ष्मदर्शी अध्ययन के लिए गेट-ट्यून करने योग्य ग्राफीन उपकरणों का निर्माण
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
इसके आपेक्षिकीय कम ऊर्जा से चार्ज वाहक के कारण, और graphene विभिन्न दोष के बीच बातचीत के नए भौतिकी और इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को नियंत्रित करने के लिए स्वतंत्रता की डिग्री की एक धन होता है। विशेष रूप से, आरोप लगाया है Coulomb दोष से क्षमता के जवाब में है graphene चार्ज वाहक का व्यवहार सबसे सामग्री के उस से काफी अलग करने के लिए भविष्यवाणी की है। स्कैनिंग टनलिंग सूक्ष्मदर्शी (एसटीएम) और स्कैनिंग टनलिंग स्पेक्ट्रोस्कोपी (अजजा) एक आरोप लगाया अशुद्धता की उपस्थिति में है graphene इलेक्ट्रॉनिक संरचना के स्थानिक और ऊर्जा निर्भरता दोनों के बारे में विस्तृत जानकारी प्रदान कर सकते हैं। एक संकर अशुद्धता-graphene के डिवाइस का डिजाइन, एक वापस-गेटेड graphene के सतह पर दोष से नियंत्रित बयान का उपयोग कर निर्मित, controllably ट्यूनिंग है graphene इलेक्ट्रॉनिक गुणों के लिए कई तरीकों उपन्यास सक्षम है। 1-8 इलेक्ट्रोस्टैटिक gating के graphene में प्रभारी वाहक घनत्व के नियंत्रण के लिए सक्षम बनाता है और क्षमता रिवर्सी के लिएBly धुन प्रभारी 2 और / या एक अशुद्धता की आणविक 5 राज्यों। इस पत्र में संयुक्त एसटीएम / अनुसूचित जनजातियों के अध्ययन के लिए अलग-अलग कूलम्ब अशुद्धियों के साथ सजाया एक गेट-ट्यून करने योग्य है graphene डिवाइस fabricating की प्रक्रिया की रूपरेखा। 2-5 इन अध्ययनों संकर graphene उपकरणों को डिजाइन करने के लिए मूल्यवान अंतर्निहित भौतिक विज्ञान में अंतर्दृष्टि, साथ ही मील के पत्थर प्रदान करते हैं।
Introduction
ग्राफीन अपनी असाधारण बिजली, ऑप्टिकल, और यांत्रिक गुणों को जन्म देता है जो एक अद्वितीय रैखिक बैंड संरचना, के साथ एक दो आयामी सामग्री है। 1,9-16 अपनी कम ऊर्जा से चार्ज वाहक जिसका आपेक्षिकीय, massless डिराक फरमिओन्स 15, के रूप में वर्णित किया जाता है व्यवहार पारंपरिक प्रणालियों में गैर आपेक्षिकीय चार्ज वाहक के उस से काफी अलग है। graphene के पर दोष की एक किस्म का 15-18 नियंत्रित बयान perturbations की एक श्रृंखला के लिए इन आपेक्षिकीय प्रभारी वाहकों की प्रतिक्रिया का प्रायोगिक अध्ययन के लिए एक सरल अभी तक बहुमुखी मंच प्रदान करता है। ऐसी प्रणालियों की जांच की graphene दोष, रासायनिक संभावित 6,7 बदलाव प्रभावी ढांकता हुआ निरंतर 8 को बदलने, और संभवतः इलेक्ट्रॉनिक रूप से मध्यस्थता superconductivity के 9 करने के लिए नेतृत्व कर सकते हैं कि पता चलता है। इन अध्ययनों में से कई संकर impurit के गुणों ट्यूनिंग करने के लिए एक साधन के रूप में 6-8 रोजगार इलेक्ट्रोस्टैटिक gatingY-graphene के उपकरण। इलेक्ट्रोस्टैटिक gating के हिस्टैरिसीस बिना अपनी फर्मी स्तर के लिए सम्मान के साथ एक सामग्री का इलेक्ट्रॉनिक संरचना बदलाव कर सकते हैं। 2-5 इसके अलावा, इस तरह के दोष के आरोप में 2 या आणविक 5 राज्यों ट्यूनिंग द्वारा, इलेक्ट्रोस्टैटिक gating के reversibly एक संकर अशुद्धता-ग्राफीन की संपत्तियों को संशोधित कर सकते हैं डिवाइस।
पीछे-gating एक graphene डिवाइस स्कैनिंग टनलिंग सूक्ष्मदर्शी (एसटीएम) द्वारा जांच के लिए एक आदर्श व्यवस्था प्रदान करता है। एक स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप एक प्रवाहकीय सतह से कुछ angstroms दूर आयोजित एक तेज धातु टिप के होते हैं। दोनों के बीच नोक और सतह, इलेक्ट्रॉनों सुरंग के बीच एक पूर्वाग्रह लागू करके। सबसे आम मोड में, लगातार चालू मोड, एक रेखापुंज-स्कैनिंग के आगे और पीछे टिप द्वारा नमूना की सतह की स्थलाकृति नक्शा कर सकते हैं। इसके अतिरिक्त, नमूना के स्थानीय इलेक्ट्रॉनिक संरचना स्थानीय डी के लिए आनुपातिक है जो एक अंतर प्रवाहकत्त्व डि / DV स्पेक्ट्रम की जांच से अध्ययन किया जा सकताराज्यों के nsity (LDOs)। यह माप अक्सर स्कैनिंग टनलिंग स्पेक्ट्रोस्कोपी (अजजा) करार दिया है। अलग से पूर्वाग्रह और पीछे के गेट voltages के नियंत्रित करके, अशुद्धियों को ग्राफीन की प्रतिक्रिया इन डि / DV स्पेक्ट्रा के व्यवहार का विश्लेषण करके अध्ययन किया जा सकता है। 2-5
इस रिपोर्ट में, Coulomb अशुद्धियों के साथ सजाया एक वापस-गेटेड graphene के इस उपकरण के निर्माण में उल्लिखित है (उदाहरण के लिए, CA परमाणुओं का आरोप लगाया है)। कैल्शियम adatoms और समूहों के graphene, हेक्सागोनल बोरान नाइट्राइड (एच बी एन), सिलिकॉन डाइऑक्साइड (2 Sio), और थोक सिलिकॉन (चित्रा 1): डिवाइस (ऊपर से नीचे तक) निम्नलिखित क्रम में तत्वों के होते हैं। एच बी एन graphene के लिए एक atomically फ्लैट और विद्युत सजातीय सब्सट्रेट प्रदान करता है जो एक इंसुलेटिंग पतली फिल्म है। 19-21 एच बी एन और SiO dielectrics के रूप में 2 अधिनियम, और थोक सी बैक-द्वार के रूप में कार्य करता है।
डिवाइस बनाना, graphene के पहले एक electroche पर उगाया जाता हैरासायनिक वाष्प जमाव (सीवीडी) ग्राफीन की 22-25 के लिए एक साफ सतह उत्प्रेरक के रूप में कार्य करता है जो mically पॉलिश घन पन्नी 22,23,। एक सीवीडी विकास में, मीथेन (सीएच 4) और हाइड्रोजन (एच 2) अग्रदूत गैसों घन पन्नी पर graphene क्रिस्टल के डोमेन के लिए फार्म पाइरोलाइसिस गुज़रना पड़ता है। इन डोमेन और अंत में एक polycrystalline graphene चादर बनाने, एक साथ विलय हो जाना। 25 जिसके परिणामस्वरूप graphene के लक्ष्य सब्सट्रेट पर स्थानांतरित कर रहा है, एक 2 Sio पर एच-बी एन के यांत्रिक छूटना 19-21 द्वारा तैयार एक एच बी एन / 2 Sio चिप (/ सी (100) चिप), पाली के माध्यम से (मिथाइल methacrylate) (PMMA) हस्तांतरण। 26-28 PMMA के स्थानांतरण में, घन पर graphene पहले PMMA की एक परत के साथ स्पिन लेपित है। / PMMA के graphene / घन नमूना तो एक एचेंट समाधान पर तैरता है (उदाहरण के लिए, FeCl 3 (ए क्यू) 28) घन मीटर दूर etches, जो। unreacted / PMMA graphene के नमूना बाद में एक एच बी एन / 2 Sio चिप और साथ निकाला जाता है(जैसे, सीएच 2 सीएल 2) और ए.आर. / एच 2 पर्यावरण 29,30 PMMA परत को हटाने के लिए एक कार्बनिक विलायक में साफ कर दिया। जिसके परिणामस्वरूप के graphene / एच बी एन / 2 Sio / सी नमूना तो तार-बंधुआ एक अति उच्च निर्वात (UHV) नमूना थाली पर बिजली के संपर्क करने के लिए और एक UHV कक्ष में annealed है। अंत में, graphene के डिवाइस कूलम्ब अशुद्धियों के साथ बगल में जमा किया जाता है (उदाहरण के लिए, CA परमाणुओं का आरोप लगाया है) और एसटीएम द्वारा अध्ययन किया। 2-5
Protocol
Representative Results
Discussion
एसटीएम लक्षण वर्णन के लिए, graphene के उपकरण निर्माण के महत्वपूर्ण लक्ष्यों में शामिल हैं: 1) दोषों की एक न्यूनतम संख्या के साथ monolayer graphene के बढ़ रही है, 2) एक बड़े, स्वच्छ, वर्दी, और सतत है graphene सतह प्राप्त करने, 3) के बी?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
हमारे शोध से कोई अनुबंध के तहत निदेशक, विज्ञान के कार्यालय, ऊर्जा SP2 कार्यक्रम विभाग के अमेरिका के मूल ऊर्जा विज्ञान के कार्यालय द्वारा समर्थित किया गया। डे-AC02-05CH11231 (एसटीएम इंस्ट्रुमेंटेशन विकास और डिवाइस एकीकरण); नौसेना अनुसंधान (युक्ति लक्षण वर्णन) के कार्यालय, और NSF पुरस्कार नहीं। सीएमएमआई-1235361 (डी / DV इमेजिंग)। एसटीएम डेटा का विश्लेषण किया और WSxM सॉफ्टवेयर का उपयोग कर गाया गया था। 33 DW और ए जे बी नेशनल डिफेंस साइंस एंड इंजीनियरिंग ग्रेजुएट फैलोशिप (NDSEG) प्रोग्राम के माध्यम से रक्षा विभाग (DoD), 32 सीएफआर 168a द्वारा समर्थित थे।
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 |
References
- Novoselov, K. S., et al. Electric field effect in atomically thin carbon films. Science. 306 (5696), 666-669 (2004).
- Brar, V. W., et al. Gate-controlled ionization and screening of cobalt adatoms on a graphene surface. Nat. Phys. 7 (1), 43-47 (2011).
- Wang, Y., et al. Mapping Dirac quasiparticles near a single Coulomb impurity on graphene. Nat. Phys. 8 (9), 653-657 (2012).
- Wang, Y., et al. Observing atomic collapse resonances in artificial nuclei on graphene. Science. 340 (6133), 734-737 (2013).
- Riss, A., et al. Imaging and tuning molecular levels at the surface of a gated graphene device. ACS Nano. 8 (6), 5395-5401 (2014).
- 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).
- Pi, K., et al. Electronic doping and scattering by transition metals on graphene. Phys. Rev. B. 80 (7), 075406 (2009).
- 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).
- McChesney, J. L., et al. Extended van Hove singularity and superconducting instability in doped graphene. Phys. Rev. Lett. 104 (13), 136803 (2010).
- Geim, A. K., Novoselov, K. S. The rise of graphene. Nat. Mater. 6 (3), 183-191 (2007).
- Wang, F., et al. Gate-variable optical transitions in graphene. Science. 320 (5873), 206-209 (2008).
- 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).
- Zhang, Y., et al. Giant phonon-induced conductance in scanning tunneling spectroscopy of gate-tunable graphene. Nat. Phys. 4 (8), 627-630 (2008).
- 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).
- Novoselov, K. S., et al. Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene. Nature. 438 (7065), 197-200 (2005).
- Biswas, R. R., Sachdev, S., Son, D. T. Coulomb impurity in graphene. Phys. Rev. B. 76 (20), 205122 (2007).
- Novikov, D. S. Elastic scattering theory and transport in graphene. Phys. Rev. B. 76 (24), 245435 (2007).
- Pereira, V. M., Nilsson, J., Castro Neto, A. H. Coulomb impurity problem in graphene. Phys. Rev. Lett. 99 (16), 166802 (2007).
- Dean, C. R., et al. Boron nitride substrates for high-quality graphene electronics. Nat. Nanotechnol. 5 (10), 722-726 (2010).
- Xue, J., et al. Scanning tunnelling microscopy and spectroscopy of ultra-flat graphene on hexagonal boron nitride. Nat. Mater. 10 (4), 282-285 (2011).
- Decker, R., et al. Local electronic properties of graphene on a BN substrate via scanning tunneling microscopy. Nano Lett. 11 (6), 2291-2295 (2011).
- Yan, Z., et al. Toward the synthesis of wafer-scale single-crystal graphene on copper foils. ACS Nano. 6 (10), 9110-9117 (2012).
- 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).
- Li, X., et al. Large-area synthesis of high-quality and uniform graphene films on copper foils. Science. 324 (5932), 1312-1314 (2009).
- Zhang, Y., Zhang, L., Zhou, C. Review of chemical vapor deposition of graphene and related applications. Acc. Chem. Res. 46 (10), 2329-2339 (2013).
- 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).
- Suk, J. W., et al. Transfer of CVD-grown monolayer graphene onto arbitrary subsrates. ACS Nano. 5 (9), 6916-6924 (2011).
- Regan, W., et al. A direct transfer of layer-area graphene. Appl. Phys. Lett. 96 (11), 113102 (2010).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
