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.
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.
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
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…
The authors have nothing to disclose.
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.
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 |