Tillverkning av Gate-avstämbara grafen enheter för sveptunnelmikroskopi Studier med Coulomb Föroreningar
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 av dess relativistiska lågenergihus laddningsbärare, samspelet mellan grafen och olika föroreningar leder till en uppsjö av nya fysiken och frihetsgrader för att styra elektroniska enheter. I synnerhet är beteendet hos grafen laddningsbärare som svar på potentialer från laddade Coulomb föroreningar förväntas skilja sig väsentligt från den i de flesta material. Sveptunnelmikroskopi (STM) och sveptunnelspektroskopi (STS) kan ge detaljerad information om både den rumsliga och energiberoende av grafen elektroniska struktur i närvaro av en laddad förorening. Utformningen av en hybrid förorening-grafen enhet, tillverkad med hjälp av kontrollerad avsättning av föroreningar på en back-gated grafen yta, har gjort det möjligt flera nya metoder för att kontrollerbart tuning grafen elektroniska egenskaper. 1-8 Elektrogrind möjliggör styrning av laddningsbärare tätheten i grafen och förmågan att reversibly ställa avgiften 2 och / eller molekyl 5 tillstånd av en förorening. Detta dokument beskriver processen för framställning av en grind-avstämbar grafen enhet dekorerad med enskilda Coulomb föroreningar för kombinerade STM / STS studier. 2-5 Dessa studier ger värdefulla insikter i den underliggande fysik, liksom vägvisare för att utforma hybrid grafen enheter.
Introduction
Grafen är ett tvådimensionellt material med en unik linjär bandstruktur, som ger upphov till dess exceptionella elektriska, optiska, och mekaniska egenskaper. 1,9-16 Dess låga energiladdningsbärare beskrivs som relativistiska, masslösa Dirac fermioner 15, vars beteende skiljer sig avsevärt från den hos icke-relativistiska laddningsbärare i traditionella system. 15-18 Kontrollerad deponering av en mängd olika föroreningar på grafen ger en enkel men ändå mångsidig plattform för experimentella studier av svaret på dessa relativistiska laddningsbärare till en rad störningar. Undersökningar av sådana system visar att grafen föroreningar kan flytta den kemiska potentialen 6,7, ändra den effektiva dielektricitetskonstant 8, och potentiellt leda till elektroniskt medierad supra 9. Många av dessa studier 6-8 anställa elektrogrind som ett sätt att avstämma egenskaperna hos hybrid impurity-grafen anordning. Elektrogrind kan flytta den elektroniska strukturen av ett material med avseende på dess Fermi-nivån utan hysteres. 2-5 Dessutom, genom att ställa laddnings 2 eller molekylär 5 tillstånd av sådana föroreningar, kan elektrogrind reversibelt ändra egenskaperna för en hybrid förorenings grafen enhet.
Back-gating en grafen enhet ger ett idealiskt system för utredning av sveptunnelmikroskop (STM). Ett sveptunnelmikroskop består av en vass metallspets hålls några Ångström från en ledande yta. Genom att anbringa en förspänning mellan spetsen och ytan, elektroner tunnel mellan de två. I det vanligaste läget konstant ström-läge, kan en kartlägga topografin av provytan av raster-avsökning av spetsen och tillbaka. Dessutom kan den lokala elektronstrukturen hos provet studeras genom att undersöka en differential ledningsförmåga dl / DV-spektrum, som är proportionell mot lokal density stater (LDOS). Denna mätning är ofta benämns sveptunnelspektroskopi (STS). Genom separat styrning bias och back-styrspänningar, kan svaret hos grafen för föroreningar studeras genom att analysera beteendet hos dessa dl / DV-spektra. 2-5
I denna rapport, tillverkningen av en back-gated grafen enhet dekorerad med Coulomb föroreningar (t.ex. laddade Ca atomer) skisseras. Enheten består av element i följande ordning (uppifrån och ned): kalcium adatoms och kluster, grafen, hexagonal bornitrid (h-BN), kiseldioxid (SiO 2), och bulk kisel (Figur 1). h-BN är en isolerande tunnfilm, som ger en Atomically platt och elektriskt homogent substrat för grafen. 19-21 h-BN och SiOa 2 fungerar som dielektrikum, och bulk Si fungerar som back-grinden.
Att fabricera anordningen är grafen först tillväxa på en electrochenomiskt polerad Cu folie 22,23, som fungerar som en ren katalytisk yta för kemisk förångningsdeposition (CVD) 22-25 av grafen. I en CVD tillväxt, metan (CH4) och väte (H2) prekursorgaser genomgår pyrolys för att bilda domäner av grafen kristaller på Cu folie. Dessa domäner växer och så småningom gå samman och bildar en polykristallin grafen ark. 25 Den resulterande grafen överföres på målsubstratet, en h-BN / SiOa två chip (framställd genom mekanisk exfoliering 19-21 av h-BN på en SiOj 2 / Si (100) chip) via poly (metylmetakrylat) (PMMA) överföring. 26-28 I PMMA överföring, är grafen på Cu första spinnbelades med ett skikt av PMMA. PMMA / grafen / Cu prov flyter sedan på en etsningslösning (t.ex. FeCl3 (aq) 28), som etsar bort Cu. Den oreagerade PMMA / grafen prov fiskas med en h-BN / SiO 2 chip och därefterrengöras i ett organiskt lösningsmedel (t.ex., CH 2 Cl 2) och Ar / H2 miljö 29,30 för avlägsnande PMMA skiktet. Den resulterande grafen / h-BN / SiO 2 / Si-provet är sedan tråd-bunden till elektriska kontakterna på en ultrahög vakuum (UHV) provplattan och glödgades i en UHV-kammare. Slutligen, är grafen enheten deponeras på plats med Coulomb föroreningar (t.ex. laddade Ca-atomer) och studeras av STM. 2-5
Protocol
Representative Results
Discussion
För STM karakterisering, kritiska mål grafen enheten tillverkning inkluderar: 1) växande mono grafen med ett minimalt antal fel, 2) att erhålla en stor, ren, jämn och kontinuerlig grafen yta, 3) montering en grafen enhet med hög motståndskraft mellan grafen och porten (dvs ingen "gate läckage"), och 4) deponering enskilda Coulomb föroreningar.
Det första målet styrs av CVD-processen, under vilken grafen växer på en Cu folie. Även om det finns flera substratka…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vår forskning stöddes av direktören, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences av US Department of Energy sp2 programmet under kontrakt nr. DE-AC02-05CH11231 (STM instrumentering utveckling och enhet integration); Office of Naval Research (enhet karakterisering), och NSF utmärkelse nr. CMMI-1235361 (dl / DV imaging). STM-data analyserades och återges med hjälp av WSxM programvara. 33 DW och AJB stöddes av Department of Defense (DoD) genom 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).
