Fremstilling af Gate-afstemmelige Graphene Devices for Scanning Tunneling Mikroskopi Undersøgelser med Coulomb urenheder
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
På grund af dens relativistiske lavenergi ladningsbærere, samspillet mellem graphene og forskellige urenheder fører til et væld af ny fysik og frihedsgrader til at styre elektroniske enheder. Især er opførslen af graphene er ladningsbærere som svar på potentialer fra ladede Coulomb urenheder forudsagt at afvige væsentligt fra den for de fleste materialer. Scanning tunneling mikroskopi (STM) og scanning tunneling spektroskopi (STS), kan give detaljerede oplysninger om både den rumlige og energiafhængighed af graphene elektroniske struktur i tilstedeværelsen af en ladet urenhed. Udformningen af en hybrid urenhed-graphene enhed, fremstillet ved hjælp af kontrolleret aflejring af urenheder på en back-gated graphene overfladen, har gjort det muligt adskillige hidtil ukendte fremgangsmåder til kontrolleret tuning graphene elektroniske egenskaber. 1-8 Elektrostatisk gating muliggør styring af ladningsbærerens densitet i graphene og evnen til at reversiligt tune ladningen 2 og / eller molekylære 5 stater i en urenhed. Dette papir beskriver processen med at opdigte en gate-justerbar graphene enhed dekoreret med individuelle Coulomb urenheder for kombinerede SMS / STS studier. 2-5 Disse undersøgelser giver værdifuld indsigt i den underliggende fysik, samt pejlemærker for at designe hybrid graphene enheder.
Introduction
Graphene er et todimensionalt materiale med en unik lineær band struktur, som giver anledning til dens usædvanlige elektriske, optiske og mekaniske egenskaber. 1,9-16 Dens lavenergi ladningsbærere er beskrevet som relativistiske, masseløse Dirac fermioner 15, hvis adfærd adskiller sig væsentligt fra den ikke-relativistiske ladningsbærere i traditionelle systemer. 15-18 Kontrolleret deponering af en række urenheder på graphene giver en enkel, men alsidig platform for eksperimentelle undersøgelser af svaret fra disse relativistiske ladningsbærere til en række forstyrrelser. Undersøgelser af sådanne systemer viser, at graphene urenheder kan flytte det kemiske potentiale 6,7, ændre den effektive dielektriske konstant 8, og potentielt føre til elektronisk medieret superledning 9. Mange af disse undersøgelser 6-8 ansætte elektrostatisk gating som et middel til tuning egenskaberne af den hybride impurity-graphene enhed. Elektrostatisk gating kan skifte den elektroniske struktur af et materiale med hensyn til dets Fermi niveau uden hysterese. 2-5 Desuden ved tuning af afgift 2 eller molekylær 5 stater i sådanne urenheder, kan elektrostatisk gating reversibelt ændre egenskaberne for en hybrid urenhed-graphene enhed.
Back-gating en graphene enhed giver et ideelt system til undersøgelse ved scanning tunneling mikroskopi (STM). En scanning tunneling mikroskop består af en skarp metalspids holdt et par ångstrøm væk fra en ledende overflade. Ved at påføre en forspænding mellem spidsen og overfladen, elektroner tunnel mellem de to. I den mest almindelige tilstand, konstant strøm 'tilstand, kan man kortlægge topografi prøveoverfladen ved raster-scanning af spidsen frem og tilbage. Derudover kan den lokale elektroniske struktur af prøven undersøges ved at undersøge en differentiel konduktans dI / dV spektrum, som er proportional med den lokale density af stater (LDOS). Denne måling er ofte betegnes scanning tunneling spektroskopi (STS). Ved separat kontrollere bias og back-gate spænding, kan respons graphene urenheder blive undersøgt ved at analysere opførslen af disse dI / dV spektre. 2-5
I denne rapport, fremstilling af en back-gated graphene enhed dekoreret med Coulomb urenheder (f.eks opladet Ca atomer) er skitseret. Anordningen består af elementer i følgende rækkefølge (fra top til bund): calcium adatoms og klynger, graphene, hexagonal bornitrid (h-BN), siliciumdioxid (SiO2), og bulk silicium (figur 1). h-BN er en isolerende tynd film, som giver et atomisk fladt og elektrisk homogene substrat for graphene. 19-21 h-BN og SiO2 virker som dielektrikum, og bulk Si fungerer som back-gate.
At fabrikere enheden, er graphene først dyrket på et elektrokemisnomisk poleret Cu folie 22,23, der virker som en ren katalytiske overflade til udfældning kemiske dampe (CVD) 22-25 af graphene. I en CVD vækst, methan (CH4) og hydrogen (H2) precursor gasser underkastes pyrolyse til dannelse domæner af graphene krystaller på den Cu folie. Disse domæner vokse og til sidst smelte sammen, danner en polykrystallinsk graphene sheet. 25 Den fremkomne graphene overføres til mål-substratet, en H-BN / SiO2 chip (fremstillet ved mekanisk delaminering 19-21 af h-BN på en SiO2 / Si (100) chip), via poly (methylmethacrylat) (PMMA) overførsel. 26-28 I PMMA overførsel, graphene på Cu er første spin-belagt med et lag af PMMA. PMMA / graphene / Cu prøve derefter flyder på en ætsemiddel opløsning (f.eks FeCl3 (aq) 28), som ætser væk Cu. Den ikke-omsatte PMMA / graphene prøve fiskes med en H-BN / SiO 2 chip og efterfølgenderenset i et organisk opløsningsmiddel (f.eks CH2C 2) og Ar / H2 miljø 29,30 til fjernelse af PMMA lag. Den resulterende graphene / t-BN / SiO 2 / Si prøve er derefter wire-bundet til elektriske kontakter på en ultra-high-vakuum (UHV) prøve plade og udglødet i et UHV kammer. Endelig er graphene enhed deponeret i situ med Coulomb urenheder (f.eks, opladet Ca-atomer), og undersøgt af STM. 2-5
Protocol
Representative Results
Discussion
For STM karakterisering, kritiske mål for graphene enhedens fabrikation omfatter: 1) voksende monolag graphene med et minimalt antal fejl, 2) at opnå en stor, ren, ensartet og kontinuerlig graphene overfladen, 3) at samle en graphene enhed med høj modstand mellem graphene og porten (dvs. ingen "gate lækage") og 4) afsætning individuelle Coulomb urenheder.
Det første mål er reguleret ved CVD-processen, i hvilken graphene vokser på en Cu folie. Selv om der er flere s…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vores forskning blev støttet af direktøren, Kontoret for Videnskab, Office of Basic Energi Videnskaber af det amerikanske Department of Energy sp2 Program under kontrakt nr. DE-AC02-05CH11231 (STM instrumentering udvikling og anordning integration); Office of Naval Research (enhed karakterisering), og NSF award nej. CMMI-1235361 (dI / dV billeddannelse). SMS-data blev analyseret og gjort brug af WSxM software. 33 DW og AJB blev støttet af Department of Defense (DoD) gennem National Defense Science & Engineering Graduate Fellowship (NDSEG) Program, 32 CFR 168a.
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 |
Riferimenti
- 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).
