JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Engineering

Fabrikasjon av Gate-tunbare Graphene enheter for scanning tunneling mikroskopi Studier med Coulomb Urenheter

Published: July 24, 2015
doi:
10.3791/52711
, , , , , , , , , , , , , , ,
1Department of Physics,University of California at Berkeley, 2Department of Chemistry,University of California at Berkeley, 3Department of Chemical and Biomolecular Engineering,University of California at Berkeley, 4National Institute for Materials Science (Japan), 5Materials Sciences Division,Lawrence Berkeley National Laboratory, 6Kavli Energy NanoSciences Institute,University of California at Berkeley and Lawrence Berkeley National Laboratory

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 grunn av sin relativistiske lavenergiladningsbærere, samspillet mellom graphene og forskjellige urenheter fører til et vell av ny fysikk og grader av frihet til å styre elektroniske enheter. Spesielt er oppførselen til graphene er ladningsbærere som svar på potensialer fra ladede Coulomb urenheter spådd til å avvike vesentlig fra det av de fleste materialer. Scanning tunneling mikroskop (STM) og scanning tunneling spektroskopi (STS) kan gi detaljert informasjon om både den romlige og energiavhengighet av graphene elektroniske struktur i nærvær av et ladet urenhet. Utformingen av en hybrid urenhet-graphene enhet, fabrikkert ved hjelp av kontrollert deponering av urenheter på en back-gated graphene overflaten, har gitt flere nye metoder for regulerbar tuning graphene elektroniske egenskaper. 1-8 Elektro gating muliggjør kontroll av ladningsbærertettheten i graphene og evnen til å Reversibly tune lade 2 og / eller molekylære fem statene en urenhet. Dette notatet skisserer prosessen med å fabrikere en gate-tunbare graphene enhet dekorert med individuelle Coulomb urenheter for kombinerte STM / STS-studier. 2-5 Disse studiene gir verdifull innsikt i den underliggende fysikken, samt informasjonstavler for å designe hybrid graphene enheter.

Introduction

Graphene er et todimensjonalt materiale med en unik lineær bandet struktur, som gir opphav til sin eksepsjonelle elektriske, optiske og mekaniske egenskaper. 1,9-16 Sine lavenergiladningsbærere er beskrevet som relativistiske, masseløse Dirac fermioner 15, hvis oppførsel skiller seg vesentlig fra det som ikke-relativistiske ladningsbærere i tradisjonelle systemer. 15-18 kontrollert avsetning av et utvalg av urenheter på graphene gir en enkel og allsidig plattform for eksperimentelle studier av responsen av disse relativistiske ladningsbærere til en rekke perturbasjoner. Undersøkelser av slike systemer avslører at graphene urenheter kan skifte det kjemiske potensialet 6,7, endre den effektive dielektrisk konstant 8, og potensielt føre til elektronisk mediert superledning 9. Mange av disse studiene 6-8 ansette elektro gating som et middel til tuning egenskapene til hybrid impurity-graphene enhet. Elektrostatisk gating kan skifte det elektroniske struktur av et materiale med hensyn til sin Ferminivå uten hysterese. 2-5 Videre ved å justere ladning 2 eller molekylær 5 tilstander av slike urenheter, kan elektrostatisk gating reversibelt endre egenskapene til et hybrid-urenhet graphene enhet.

Back-gating en graphene enhet gir et ideelt system for etterforskning av scanning tunneling mikroskop (STM). En scanning tunneling mikroskop består av en skarp metalltupp holdt noen Ångstrom bort fra en ledende overflate. Ved å påføre en forspenning mellom spissen og overflaten, elektroner tunnel mellom de to. I den mest vanlige modus, konstant strømmodus, kan en kartlegge topografien av prøvens overflate av rasterskanne spissen og tilbake. I tillegg kan det lokale elektroniske struktur av prøven bli studert ved å undersøke en differensial konduktans dI / dV-spektrum, som er proporsjonal med de lokalensity av stater (LDOs). Denne målingen er ofte betegnet scanning tunneling spektroskopi (STS). Ved separat styring av skjevhet og tilbake-portspenninger, kan responsen av graphene urenheter bli undersøkt ved å analysere oppførselen til disse dI / dV spektra. 2-5

I denne rapporten, fabrikasjon av en back-gated graphene enhet dekorert med Coulomb urenheter (f.eks belastet Ca atomer) er skissert. Anordningen består av elementer i følgende rekkefølge (fra topp til bunn): Kalsium adatom og klynger, graphene, heksagonal bornitrid (BN-H), silisiumdioksyd (SiO 2), og bulk silisium (figur 1). h-BN er en isolerende tynn film, som gir en atomisk flat og elektrisk homogent substrat for det graphene. 19-21 h-BN og SiO 2 virker som dielektrikum, og bulk Si tjener som back-porten.

Å dikte enheten, graphene først dyrket på en elektrokjemmically polert Cu-folie 22,23, som virker som en ren katalytisk overflate for kjemisk dampavsetning (CVD) 22-25 av graphene. I en CVD vekst, metan (CH4) og hydrogen (H2) forløper gasser gjennomgår pyrolyse for å danne områder av graphene krystaller på Cu-folie. Disse domenene vokse og til slutt smelter sammen og danner et polykrystallinsk graphene ark. 25 Den resulterende graphene overføres til målsubstratet, en H-BN / SiO 2 brikke (fremstilt ved mekanisk eksfoliering av 19-21 h-BN på en SiO 2 / Si (100) chip), via poly (metylmetakrylat) (PMMA) overføring. 26-28 I PMMA overføringen, er den graphene på Cu første spinnbelagt med et lag av PMMA. Den PMMA / graphene / Cu prøven flyter da av en etsemiddel-løsning (som FeCl3 (aq) 28), som etser bort Cu. -Omsatt PMMA / graphene prøven fisket med en h-BN / SiO 2 chip og senererenset i et organisk løsningsmiddel (f.eks, CH 2Cl 2) og Ar / H2 miljø 29,30 for å fjerne PMMA laget. Den resulterende graphene / h-BN / SiO2 / Si prøven er da trådbundet til elektriske kontakter på en ultra-høy-vakuum (UHV) prøve plate og glødet i en UHV kammer. Til slutt blir den graphene anordningen deponert in situ med Coulomb urenheter (for eksempel, ladet Ca-atomer) og studert av STM. 2-5

Protocol

1. Elektrokjemisk Polering av Cu Folie 22,23 Merk: Elektrokjemisk polering eksponerer bart Cu overflate for graphene vekst ved å fjerne det beskyttende overflatebelegg og kontrollerer veksten frøet tetthet. Fremstille en elektrokjemisk polering løsning ved å blande 100 ml ultrarent vann, 50 ml etanol, 50 ml fosforsyre, 10 ml isopropanol, og 1 g urea. Skjær Cu folie inn flere 3 cm med 3 cm folier. Merk: Hver folie tjener som enten en anode eller en katode….

Representative Results

Figur 1 illustrerer et skjematisk riss av en tilbake-gated graphene enhet. Wire-binding Au / Ti kontakt til en UHV sample plate begrunnelse graphene elektrisk, mens wire-binding Si bulk til en elektrode som kobles til en ekstern krets back-porter enheten. Ved tilbake-gating en enhet, en ladetilstand en Coulomb urenhet ved en gitt prøve skjevhet (som er kontrollert av STM spiss) kan være innstilt til en annen ladetilstand. 2-4 Figur 2 beskriver f…

Discussion

For STM karakterisering, kritiske målene i graphene enheten fabrikasjon inkluderer: 1) økende enkeltlag graphene med et minimalt antall feil, 2) å skaffe en stor, ren, jevn og kontinuerlig graphene overflaten, 3) sette sammen en graphene enhet med høy motstand mellom graphene og porten (dvs. ingen "gate lekkasje"), og 4) å avsette de enkelte Coulomb urenheter.

Det første målet er styrt av CVD prosess hvor graphene vokser på en Cu folie. Selv om det finnes flere kan…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Vår forskning ble støttet av direktøren, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences i US Department of Energy sp2 Program under kontrakt no. DE-AC02-05CH11231 (STM instrumentering utvikling og enhet integrering); Office of Naval Research (enhet karakterisering), og NSF award nei. CMMI-1235361 (dI / DV bildebehandling). STM data ble analysert og gjengitt ved hjelp WSxM programvare. 33 DW og AJB ble støttet av det amerikanske forsvarsdepartementet (DoD) gjennom 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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Novoselov, K. S., et al. Electric field effect in atomically thin carbon films. Science. 306 (5696), 666-669 (2004).
  2. Brar, V. W., et al. Gate-controlled ionization and screening of cobalt adatoms on a graphene surface. Nat. Phys. 7 (1), 43-47 (2011).
  3. Wang, Y., et al. Mapping Dirac quasiparticles near a single Coulomb impurity on graphene. Nat. Phys. 8 (9), 653-657 (2012).
  4. Wang, Y., et al. Observing atomic collapse resonances in artificial nuclei on graphene. Science. 340 (6133), 734-737 (2013).
  5. Riss, A., et al. Imaging and tuning molecular levels at the surface of a gated graphene device. ACS Nano. 8 (6), 5395-5401 (2014).
  6. 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).
  7. Pi, K., et al. Electronic doping and scattering by transition metals on graphene. Phys. Rev. B. 80 (7), 075406 (2009).
  8. 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).
  9. McChesney, J. L., et al. Extended van Hove singularity and superconducting instability in doped graphene. Phys. Rev. Lett. 104 (13), 136803 (2010).
  10. Geim, A. K., Novoselov, K. S. The rise of graphene. Nat. Mater. 6 (3), 183-191 (2007).
  11. Wang, F., et al. Gate-variable optical transitions in graphene. Science. 320 (5873), 206-209 (2008).
  12. 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).
  13. Zhang, Y., et al. Giant phonon-induced conductance in scanning tunneling spectroscopy of gate-tunable graphene. Nat. Phys. 4 (8), 627-630 (2008).
  14. 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).
  15. Novoselov, K. S., et al. Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene. Nature. 438 (7065), 197-200 (2005).
  16. Biswas, R. R., Sachdev, S., Son, D. T. Coulomb impurity in graphene. Phys. Rev. B. 76 (20), 205122 (2007).
  17. Novikov, D. S. Elastic scattering theory and transport in graphene. Phys. Rev. B. 76 (24), 245435 (2007).
  18. Pereira, V. M., Nilsson, J., Castro Neto, A. H. Coulomb impurity problem in graphene. Phys. Rev. Lett. 99 (16), 166802 (2007).
  19. Dean, C. R., et al. Boron nitride substrates for high-quality graphene electronics. Nat. Nanotechnol. 5 (10), 722-726 (2010).
  20. Xue, J., et al. Scanning tunnelling microscopy and spectroscopy of ultra-flat graphene on hexagonal boron nitride. Nat. Mater. 10 (4), 282-285 (2011).
  21. Decker, R., et al. Local electronic properties of graphene on a BN substrate via scanning tunneling microscopy. Nano Lett. 11 (6), 2291-2295 (2011).
  22. Yan, Z., et al. Toward the synthesis of wafer-scale single-crystal graphene on copper foils. ACS Nano. 6 (10), 9110-9117 (2012).
  23. 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).
  24. Li, X., et al. Large-area synthesis of high-quality and uniform graphene films on copper foils. Science. 324 (5932), 1312-1314 (2009).
  25. Zhang, Y., Zhang, L., Zhou, C. Review of chemical vapor deposition of graphene and related applications. Acc. Chem. Res. 46 (10), 2329-2339 (2013).
  26. 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).
  27. Suk, J. W., et al. Transfer of CVD-grown monolayer graphene onto arbitrary subsrates. ACS Nano. 5 (9), 6916-6924 (2011).
  28. Regan, W., et al. A direct transfer of layer-area graphene. Appl. Phys. Lett. 96 (11), 113102 (2010).
  29. 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).
  30. 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).
  31. 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).
  32. 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).
  33. 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).

Tags

GrapheneScanning Tunneling MicroscopyScanning Tunneling SpectroscopyCoulomb ImpuritiesGate-tunableElectronic PropertiesCharge CarriersHybrid DeviceFabrication
check_url/52711?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Jung, H. S., Tsai, H., Wong, D., Germany, C., Kahn, S., Kim, Y., Aikawa, A. S., Desai, D. K., Rodgers, G. F., Bradley, A. J., Velasco Jr., J., Watanabe, K., Taniguchi, T., Wang, F., Zettl, A., Crommie, M. F. Fabrication of Gate-tunable Graphene Devices for Scanning Tunneling Microscopy Studies with Coulomb Impurities. J. Vis. Exp. (101), e52711, doi:10.3791/52711 (2015).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image