تلفيق بوابة الانضباطي الجرافين أجهزة لمسح حفر نفق المجهر الدراسات مع كولوم الشوائب
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
بسبب النسبية حامله تهمة منخفضة الطاقة، والتفاعل بين الجرافين والشوائب المختلفة يؤدي إلى ثروة من الفيزياء ودرجات الحرية للسيطرة على الأجهزة الإلكترونية الجديدة. على وجه الخصوص، وتوقع سلوك حاملات الشحنة الجرافين ردا على إمكانات من الشوائب كولوم اتهم تختلف كثيرا عن أن معظم المواد. المجهر النفقي الماسح (STM) والتحليل الطيفي المسح النفقي (STS) يمكن أن توفر معلومات تفصيلية عن كل من الاعتماد المكاني والطاقة في هيكل الجرافين الإلكترونية في وجود النجاسة المشحونة. تصميم جهاز النجاسة الجرافين الهجين، ملفقة باستخدام ترسب رقابة من الشوائب على سطح الجرافين بوابات الظهر، وقد مكن العديد من الطرق المبتكرة للعقارات ضبط controllably الجرافين الإلكترونية. 1-8 كهرباء النابضة يمكن السيطرة على كثافة الناقل مسؤولا في الجرافين والقدرة على ريفيرسيضبط بلاي التهمة 2 و / أو الجزيئية 5 دول من الشوائب. وتحدد هذه الورقة عملية تصنيع جهاز الجرافين بوابة الانضباطي مزينة الشوائب كولوم الفردية جنبا إلى جنب STM / STS الدراسات. وتقدم 2-5 هذه الدراسات معلومات قيمة حول الفيزياء الأساسية، فضلا عن معالم لتصميم الأجهزة الجرافين الهجينة.
Introduction
الجرافين هو مادة ثنائي الأبعاد مع هيكل الفرقة خطية فريدة من نوعها، مما يثير خصائصه الكهربائية والضوئية والميكانيكية استثنائية. 1،9-16 تم وصفها لها حاملات الشحنة منخفضة الطاقة كما النسبية، عديمة الكتلة الفرميونات ديراك 15، الذي يختلف السلوك بشكل كبير عن تلك التي حاملات الشحنة غير النسبية في النظم التقليدية. 15-18 ترسب التحكم لمجموعة متنوعة من الشوائب على الجرافين يوفر منصة بسيطة ولكنها تنوعا للدراسات التجريبية للاستجابة لهذه حاملات الشحنة النسبية لمجموعة من الاضطرابات. التحقيقات في مثل هذه الأنظمة تكشف عن أن الشوائب الجرافين يمكن أن يحول المحتملين 6،7 الكيميائية، تغيير فعال ثابت العزل الكهربائي 8، وربما يؤدي إلى الموصلية الفائقة بوساطة إلكترونيا 9. العديد من هذه الدراسات 6-8 توظيف النابضة الكهربائي كوسيلة لضبط خصائص impurit الهجينذ الجرافين الجهاز. النابضة كهرباء يمكن أن تحول هيكل الالكترونية من مادة فيما يتعلق مستوى فيرمي من دون التباطؤ 2-5 وعلاوة على ذلك، من خلال ضبط هذه التهمة 2 أو الجزيئي 5 دول من تلك الشوائب، ويمكن النابضة كهرباء تعديل عكسية خصائص الهجين نجاسة الجرافين الجهاز.
العودة النابضة جهاز الجرافين يوفر نظاما مثاليا للتحقيق من قبل المجهر النفقي الماسح (STM). يتكون المجهر النفقي الماسح من طرف معدنية حادة عقدت بضع انغستروم بعيدا عن سطح موصل. من خلال تطبيق التحيز بين طرف والسطح، والإلكترونات نفق بين البلدين. في الوضع الأكثر شيوعا، ووضع الحالي مستمر، ويمكن للمرء أن خريطة تضاريس سطح العينة من طرف ذهابا وإيابا مسح النقطية. بالإضافة إلى ذلك، فإن هيكل الالكترونية المحلية من العينة يمكن دراستها من خلال دراسة فارق تصرف دي / DV الطيف، الذي يتناسب مع دي المحليnsity الدول (LDOS). وغالبا ما يطلق على هذا القياس الطيفي المسح النفقي (STS). من خلال التحكم بشكل منفصل التحيز والعودة البوابة الفولتية، واستجابة من الجرافين لشوائب يمكن دراستها من خلال تحليل سلوك هذه DI / DV الأطياف. 2-5
في هذا التقرير، وتصنيع جهاز الجرافين بوابات الظهر مزينة الشوائب كولوم (على سبيل المثال، اتهم ذرات الكالسيوم) تم تفصيلها. ويتكون الجهاز من العناصر بالترتيب التالي (من الأعلى إلى الأسفل): adatoms الكالسيوم والتجمعات، الجرافين، سداسية نيتريد البورون (ح-BN)، وثاني أكسيد السيليكون (شافي 2)، والسيليكون بالجملة (الشكل 1). غير ح-BN فيلم رقيقة عازلة، والتي توفر الركيزة مسطحة بالذرة ومتجانسة كهربائيا لالجرافين. يخدم 19-21 ح-BN وشافي 2 بمثابة العوازل، والجزء الأكبر سي كما ظهر البوابة.
لافتعال الجهاز، يزرع الجرافين أولا على electrocheمصقول mically النحاس احباط 22،23، الذي يعمل بمثابة المحفز سطح نظيف لترسيب الأبخرة الكيميائية (الأمراض القلبية الوعائية) 22-25 من الجرافين. في نمو الأمراض القلبية الوعائية، والميثان (CH 4) والهيدروجين (H 2) الغازات السلائف تخضع الانحلال الحراري لتشكيل المجالات من بلورات الجرافين على رقائق النحاس. هذه المجالات تنمو وتندمج معا في نهاية المطاف، وتشكيل ورقة الكريستالات الجرافين. 25 يتم نقل الجرافين الناتجة على الركيزة الهدف، وهو ح-BN / شافي 2 رقاقة (عن طريق تقشير الميكانيكية 19-21 من ح-BN أعدت على أحد شافي 2 / سي (100) رقاقة)، عبر بولي (ميتاكريليت الميثيل) (PMMA) نقل 26-28 في نقل PMMA، الجرافين على النحاس هو المغلفة تدور الأول بطبقة من PMMA. ثم يتحرك هذا / الجرافين / النحاس عينة PMMA على حل منمش (على سبيل المثال، FeCl 3 (عبد القدير) 28)، الذي يحفر بعيدا النحاس. تم صيدها العينة PMMA / الجرافين غير المتفاعل مع رقاقة ح-BN / شافي 2 و في وقت لاحقتنظيف في المذيبات العضوية (على سبيل المثال، CH 2 الكلورين 2) وهارون / H 2 بيئة 29،30 لإزالة طبقة PMMA. نتج عن ذلك من الجرافين / ح-BN / شافي 2 / سي العينة ثم إلى الاتصالات الكهربائية على فراغ عالية جدا (الفائق) عينة لوحة وصلب في غرفة الفائق المستعبدين الأسلاك. أخيرا، وتودع الجهاز الجرافين في الموقع مع الشوائب كولوم (على سبيل المثال، اتهم ذرات الكالسيوم) ودراستها من قبل STM 2-5
Protocol
Representative Results
Discussion
لتوصيف STM، والأهداف الحاسمة للتصنيع الجهاز الجرافين ما يلي: 1) تزايد أحادي الطبقة الجرافين مع أقل عدد ممكن من العيوب، 2) الحصول على كبيرة، نظيفة وموحدة، ومستمر سطح الجرافين، 3) تجميع جهاز الجرافين مع مقاومة عالية بين الجرافين وبوابة (أي، لا "تسرب بوابة")، و 4) إ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وأيد بحثنا من قبل مدير مكتب العلوم ومكتب علوم الطاقة الأساسية في وزارة الخارجية الأمريكية من البرنامج SP2 الطاقة بموجب عقد لا. DE-AC02-05CH11231 (STM تطوير الأجهزة والتكامل الجهاز). مكتب البحوث البحرية (توصيف الجهاز)، وجائزة NSF لا. CMMI-1235361 (DI / DV التصوير). وقد تم تحليل البيانات STM وجعل استخدام برامج WSxM 33 تم دعم DW وAJB من قبل وزارة الدفاع (وزارة الدفاع) من خلال زمالة الوطنية للعلوم الدفاع وخريج كلية الهندسة (NDSEG) برنامج، 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 |
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).
