Herstellung von Tor-abstimmbaren Graphene Geräte für Rastertunnelmikroskopie Studies mit Coulomb Verunreinigungen
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
Aufgrund seiner relativistischen Niedrigenergie Ladungsträger, die Interaktion zwischen Graphen und verschiedene Verunreinigungen führt zu einer Fülle neuer Physik und Freiheitsgrade, um elektronische Geräte steuern. Insbesondere wird das Verhalten der Ladungsträger von Graphen in Reaktion auf Potentiale von geladenen Coulomb Verunreinigungen vorhergesagt, von dem der meisten Materialien signifikant. Rastertunnelmikroskopie (STM) und Rastertunnelspektroskopie (STS) Detaillierte Informationen finden Sie sowohl auf der räumlichen und Energieabhängigkeit der elektronischen Struktur von Graphen in Gegenwart eines geladenen Verunreinigung bereitzustellen. Die Konstruktion eines Hybridverunreinigungs Graphen Vorrichtung hergestellt durch kontrollierte Ablagerung von Verunreinigungen auf einem Back-Gate versehenen Graphitoberfläche, mehrere neuartige Verfahren zur elektronischen Eigenschaften steuerbar tuning Graphens aktiviert. 1-8 Elektro Gating ermöglicht die Steuerung der Ladungsträgerdichte in Graphen und die Fähigkeit, REVERSIbly Abstimmung der Ladung 2 und / oder molekular 5 Zustände der Verunreinigung. In diesem Dokument werden die Verfahren zur Herstellung einer Gate-abstimmbaren Graphen-Gerät mit Einzel Coulomb Verunreinigungen für den kombinierten STM / STS-Studien eingerichtet. 2-5 Diese Studien liefern wertvolle Einblicke in die zugrunde liegende Physik, aber auch als Wegweiser für die Gestaltung von Graphen-Hybrid-Geräte.
Introduction
Graphen ist ein zweidimensionaler Material mit einer einzigartigen Linearbandstruktur, die zu seiner außergewöhnlichen elektrischen, optischen und mechanischen Eigenschaften verleiht. 1,9-16 Die Niedrigenergie-Ladungsträger als relativistische, masselose Dirac-Fermionen 15, dessen beschrieben Verhalten unterscheidet sich deutlich von dem der nicht-relativistischen Ladungsträger in herkömmlichen Systemen. 15-18 kontrollierte Abscheidung einer Vielzahl von Verunreinigungen auf Graphen stellt eine einfache, aber vielseitige Plattform für experimentelle Untersuchungen der Reaktion dieser relativistischen Ladungsträger zu einer Reihe von Störungen. Untersuchungen solcher Systeme zeigen, dass Graphen Verunreinigungen können die chemische Potential 6,7 verschieben, ändern, die effektive dielektrische Konstante 8 und möglicherweise elektronisch vermittelten Supraleitung 9 führen. Viele dieser Studien 6-8 beschäftigen elektro Gating als ein Mittel, um die Eigenschaften des Hybrid impurit Tuningy-Graphen-Gerät. Elektrostatische Gating kann die elektronische Struktur eines Materials in Bezug auf seine Fermi-Niveau ohne Hysterese Außerdem verlagern. 2-5, durch Abstimmung der Ladung 2 oder 5 Molekülzustände solcher Verunreinigungen kann zu elektrostatischer Gating reversibel die Eigenschaften eines Hybrid Verunreinigungen Graphen ändern Gerät.
Zurück Anschnitt eine Graphen-Gerät bietet ein ideales System für die Untersuchung durch Rastertunnelmikroskopie (STM). Ein Rastertunnelmikroskop besteht aus einer scharfen Metallspitze aus einem leitfähigen Oberfläche gehalten wenige Angström entfernt. Durch Anlegen einer Vorspannung zwischen der Spitze und der Oberfläche tunneln Elektronen zwischen den beiden. Bei der häufigsten Modus Konstantstrommodus, kann die Topographie der Probenoberfläche der Karte durch Rasterabtasten der Spitze hin und her. Zusätzlich kann die lokale elektronische Struktur der Probe durch die Untersuchung einer differentiellen Leitfähigkeit dI / dV-Spektrum, das proportional zur lokalen de untersucht werdennsity von Staaten (LDOS). Diese Messung wird oft die Rastertunnelspektroskopie (STS) bezeichnet. Durch separates Steuern der Vorspannung und Back-Gate-Spannungen kann die Reaktion des Graphen, um Verunreinigungen durch die Analyse des Verhaltens dieser dI / dV Spektren untersucht werden. 2-5
In diesem Bericht, die Herstellung eines Back-Gate Graphen-Gerät mit Coulomb Verunreinigungen dekoriert (zB geladene Ca-Atome) skizziert. Die Vorrichtung besteht aus Elementen in der folgenden Reihenfolge (von oben nach unten): Calcium Adatomen und Clustern, Graphen, hexagonales Bornitrid (h-BN), Siliziumdioxid (SiO 2), Bulk-Silizium (Figur 1). h-BN ist ein isolierender Dünnfilm, der eine atomar flach und elektrisch homogenen Substrat für den Graphen stellt. 19-21 h-BN und SiO 2 wirken als Dielektrika und Schütt Si dient als Rückgate.
Um das Gerät zu fertigen, ist Graphen zunächst auf einer electroche gewachsenmisch poliert Cu Folie 22,23, die als saubere katalytische Oberfläche für die chemische Dampfabscheidung (CVD) 22-25 von Graphen dient. In einem CVD-Wachstum, Methan (CH 4) und Wasserstoff (H 2) Vorläufergase durchlaufen Pyrolyse Domänen von Graphen Kristalle auf der Cu-Folie zu bilden. Diese Domänen wachsen und schließlich miteinander verschmelzen, wodurch eine polykristalline Graphenschicht. 25. Das resultierende Graphen auf das Zielsubstrat übertragen wird, eine h-BN / SiO2 Chips (durch mechanische Peeling 19-21 h-BN auf einem SiO 2 / Si (100) Chip) über Poly (methylmethacrylat) (PMMA) zu übertragen. 26-28 In der PMMA-Transfer, die Graphen auf Cu ist mit einer Schicht aus PMMA erste Spin-beschichtet. Die PMMA / Graphen / Cu Probe dann schwimmt auf einer Ätzlösung (beispielsweise FeCl 3 (aq) 28), die auswärts der Cu ätzt. Das nicht umgesetzte PMMA / Graphen Probe mit einem h-BN / SiO 2 Chip und anschließend gefischtin einem organischen Lösungsmittel gereinigt werden (beispielsweise CH 2 Cl 2) und Ar / H 2 -Umgebung 29,30 um die PMMA-Schicht zu entfernen. Die sich ergebende Graphen / h-BN / SiO 2 / Si Probe wird dann drahtgebondet, um elektrischen Kontakte an einem Ultrahochvakuum (UHV) Probenplatte und in einer UHV-Kammer geglüht. Schließlich wird das Graphen Vorrichtung in situ mit Coulomb Verunreinigungen abgeschieden (zB geladene Ca-Atome) und studiert von STM. 2-5
Protocol
Representative Results
Discussion
Für STM-Charakterisierung, kritische Ziele der Graphenvorrichtungsherstellung: 1) wachsenden Monolayer-Graphen mit einer minimalen Anzahl von Defekten, 2) Erhalten eines großen, saubere, gleichmäßige und kontinuierliche Oberfläche Graphen, 3) Zusammenbau einer Graphen-Vorrichtung mit hoher Widerstand zwischen die Graphen und das Gate (dh kein "gate leakage"), und 4) Aufbringen individueller Coulomb Verunreinigungen.
Das erste Ziel wird durch das CVD-Verfahren, bei dem…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Unsere Forschung wurde von der Direktorin, Amt für Wissenschaft, Office of Basic Energy Sciences des US Department of Energy sp2-Programm im Rahmen des Vertrages unterstützt. DE-AC02-05CH11231 (STM Instrumentenentwicklung und Geräteintegration); das Office of Naval Research (Bauteilcharakterisierung) und NSF award-Nr. CMMI-1235361 (dI / dV-Bildgebung). STM-Daten wurden analysiert und unter Verwendung des WSxM Software. 33 DW und AJB wurden vom Department of Defense (DoD) durch die National Defense Science & Engineering Graduate Fellowship (NDSEG) Programm, 32 CFR 168 a unterstützt.
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).
