Fabrication de porte-accordables Devices graphène pour microscopie à effet tunnel études avec Coulomb Impuretés
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
Grâce à ses relativistes porteurs de charge de faible énergie, l'interaction entre le graphène et diverses impuretés conduit à une richesse de nouvelle physique et degrés de liberté pour contrôler des appareils électroniques. En particulier, le comportement des porteurs de charge de graphène en réponse à des potentiels d'impuretés Coulomb charge est prévu de différer sensiblement de celle de la plupart des matériaux. microscopie à effet tunnel (STM) et la spectroscopie à effet tunnel (STS) peuvent fournir des informations détaillées à la fois sur la dépendance énergétique et spatiale de la structure électronique de graphène en présence d'une impureté chargée. La conception d'un dispositif d'impureté-graphène hybride, fabriqué en utilisant dépôt contrôlé d'impuretés sur une surface de graphène arrière-dépendants, a permis à plusieurs méthodes nouvelles pour les propriétés électroniques de façon contrôlable tuning graphène. 1-8 électrostatique déclenchement permet de contrôler la densité de porteurs de charge dans le graphène et la capacité de Reversisyntoniser Bly la charge 2 et / ou moléculaires 5 états d'une impureté. Le présent document décrit le processus de fabrication d'un dispositif de graphène porte-accordable décorée avec des impuretés Coulomb individuels pour STM / STS études combinées. 2-5 Ces études fournissent des indications précieuses sur la physique sous-jacente, ainsi que des indications pour la conception de dispositifs de graphène hybrides.
Introduction
Le graphène est un matériau à deux dimensions avec une structure de bande linéaire unique, qui donne naissance à ses propriétés électriques, optiques et mécaniques exceptionnelles. 1,9-16 Ses porteurs de charge de faible énergie sont décrits comme relativistes sans masse de Dirac fermions, 15, dont comportement diffère significativement de celle des porteurs de charge non-relativistes dans les systèmes traditionnels. 15-18 dépôt contrôlé d'une variété d'impuretés sur le graphène fournit une plate-forme simple mais polyvalent pour les études expérimentales de la réponse de ces porteurs de charge relativistes à une gamme de perturbations. Les enquêtes sur ces systèmes révèlent que les impuretés de graphène peuvent décaler le potentiel chimique 6,7, modifier la constante diélectrique effective 8, et potentiellement conduire à la supraconductivité médiation électronique 9. Beaucoup de ces études 08.06 emploi déclenchement électrostatique comme moyen de mise au point des propriétés de l'hybride impurity-graphène appareil. Gating électrostatique peut changer la structure électronique d'un matériau par rapport à son niveau de Fermi sans hystérésis. 2-5 En outre, en réglant les frais 2 ou moléculaire 5 états de ces impuretés, ouverture de porte réversible électrostatique peut modifier les propriétés d'une impureté de graphène hybride dispositif.
Retour-gating un dispositif de graphène fournit un système idéal pour enquête par microscopie à effet tunnel (STM). Un microscope à effet tunnel est constitué d'une pointe métallique forte tenue quelques angströms loin d'une surface conductrice. En application d'une polarisation entre la pointe et la surface, les électrons tunnel entre les deux. Dans le mode le plus courant, le mode courant constant, on peut cartographier la topographie de la surface de l'échantillon par balayage récurrent de la pointe avant et en arrière. En outre, la structure électronique locale de l'échantillon peut être étudiée en examinant un spectre conductance différentielle dI / dV, qui est proportionnel au local density d'états (LDOS). Cette mesure est souvent appelée la spectroscopie tunnel à balayage (STS). En contrôlant séparément les tensions de polarisation de grille arrière et la réponse de graphène à des impuretés peut être étudiée par l'analyse du comportement de ces spectres dI / dV 5.2.
Dans ce rapport, la fabrication d'un dispositif de graphène back-gated décorée avec des impuretés Coulomb (par exemple, chargé atomes Ca) est décrite. Le dispositif se compose d'éléments dans l'ordre suivant (de haut en bas): adatomes de calcium et de clusters, le graphène, le nitrure de bore hexagonal (h-BN), le dioxyde de silicium (SiO 2), et le silicium massif (figure 1). h-BN est un film mince isolant, qui fournit un substrat atomiquement plat et homogène électriquement pour le graphène. 19-21 h-BN et SiO 2 acte comme diélectriques, et en vrac Si sert de grille arrière.
Pour fabriquer le dispositif, le graphène est d'abord cultivé sur une electrochequement poli 22,23 feuille de Cu, qui agit comme une surface propre catalytique pour le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) de 22 à 25 graphène. Dans une croissance par CVD, le méthane (CH 4) et d'hydrogène (H 2) de précurseurs gazeux subissent une pyrolyse pour former des domaines de cristaux de graphène sur la feuille de Cu. Ces domaines croître et éventuellement fusionnent, formant une feuille de graphène polycristallin. 25 Le graphène obtenu est transféré sur le substrat cible, un / SiO 2 puce h-BN (préparé par exfoliation mécanique de 19-21 h-BN sur un SiO 2 / Si (100) à puce), par l'intermédiaire de poly (méthacrylate de méthyle) (PMMA) transfert. 26-28 Dans le transfert PMMA, le Cu est de graphène premier spin-revêtue d'une couche de PMMA. L'/ graphène / Cu échantillon PMMA flotte alors sur une solution de gravure (par exemple, FeCl 3 (aq) 28), qui attaque à une distance de la Cu. L'échantillon PMMA / graphène n'a pas réagi est pêché à l'aide d'une puce h-BN / SiO 2 et la suitenettoyés dans un solvant organique (par exemple, un groupe CH 2 Cl 2) et Ar / H 2 29,30 environnement pour éliminer la couche de PMMA. Le graphène résultant / h-BN / SiO échantillon 2 / Si est alors de fil lié à des contacts électriques sur un ultra-vide (UHV) de la plaque de l'échantillon et recuite dans une chambre UHV. Enfin, le dispositif de graphène est déposé in situ avec des impuretés Coulomb (par exemple, chargé atomes Ca) et étudié par STM. 2-5
Protocol
Representative Results
Discussion
Pour STM caractérisation, objectifs critiques de la fabrication de dispositifs de graphène comprennent: 1) la culture monocouche de graphène avec un nombre minimal de défauts, 2) l'obtention d'un grand, propre, uniforme, et la surface de graphène continue, 3) l'assemblage d'un dispositif de graphène à haute résistance entre le graphène et la grille (par exemple, pas de "fuite de grille»), et 4) le dépôt d'impuretés individuelles Coulomb.
Le prem…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Notre recherche a été soutenue par le Directeur, Bureau de la science, Bureau des sciences fondamentales de l'énergie du ministère américain du programme de sp2 de l'énergie sous contrat non. DE-AC02-05CH11231 (STM de développement de l'instrumentation et de l'intégration de l'appareil); l'Office of Naval Research (Caractérisation de l'appareil), et la NSF ne pas attribuer. CMMI-1235361 (dl / DV imagerie). Les données de la STM ont été analysés et rendus en utilisant un logiciel de WSxM. 33 DW et AJB ont été soutenus par le ministère de la Défense (DoD) à travers le Programme National Defense Science & Ingénierie Graduate Fellowship (NDSEG), 32 CFR 168.
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 |
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