Fabricación de puerta-sintonizables grafeno dispositivos de escaneo de Estudios microscopía de efecto túnel con Coulomb impurezas
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
Debido a sus relativistas portadores de carga de baja energía, la interacción entre el grafeno y diversas impurezas da lugar a una gran cantidad de nueva física y grados de libertad para controlar dispositivos electrónicos. En particular, el comportamiento de los portadores de carga del grafeno en respuesta a los potenciales de las impurezas cargadas de Coulomb se prevé que diferir significativamente de la de la mayoría de los materiales. Microscopía de efecto túnel (STM) y espectroscopía de efecto túnel (STS) pueden proporcionar información detallada tanto de la dependencia espacial y la energía de la estructura electrónica del grafeno en presencia de una impureza cargada. El diseño de un dispositivo de impurezas grafeno híbrido, fabricado usando la deposición controlada de impurezas en una superficie de grafeno back-privada, ha permitido a varios métodos nuevos para las propiedades electrónicas del grafeno controlable tuning. 1-8 electrostática gating permite el control de la densidad de portadores de carga en el grafeno y la capacidad de REVERSIsintonizar blemente la carga 2 y / o moleculares 5 estados de impureza. En este trabajo se describe el proceso de fabricación de un dispositivo de grafeno-gate sintonizable decorado con impurezas Coulomb individuales para STM / STS estudios combinados. 2-5 Estos estudios proporcionan información valiosa sobre la física subyacente, así como indicaciones para el diseño de dispositivos de grafeno híbridos.
Introduction
El grafeno es un material de dos dimensiones con una estructura de bandas lineal única, que da lugar a sus propiedades eléctricas, ópticas y mecánicas excepcionales. 1,9-16 Sus portadores de carga de baja energía se describen como relativistas, los fermiones de Dirac sin masa 15, cuya comportamiento difiere significativamente de la de portadores de carga no relativistas en los sistemas tradicionales. 15-18 deposición controlada de una variedad de impurezas en el grafeno proporciona una plataforma versátil simple para estudios experimentales de la respuesta de estos portadores de carga relativistas a una serie de perturbaciones. Las investigaciones de este tipo de sistemas revelan que las impurezas de grafeno pueden cambiar la química potencial de 6,7, alterar la eficacia constante dieléctrica 8, y potencialmente conducir a la superconductividad electrónicamente mediada 9. Muchos de estos estudios 6-8 emplean gating electrostática como un medio para afinar las propiedades de la impurit híbrido-y grafeno dispositivo. Gating electrostática puede cambiar la estructura electrónica de un material con respecto a su nivel de Fermi sin histéresis. 2-5 Además, sintonizando el cargo 2 o molecular 5 estados de tales impurezas, gating electrostática puede modificar reversiblemente las propiedades de una impureza-grafeno híbrido dispositivo.
Back-gating un dispositivo de grafeno proporciona un sistema ideal para la investigación por microscopía de efecto túnel (STM). Un microscopio de efecto túnel consiste en una punta metálica afilada celebrado unos angstroms lejos de una superficie conductora. Mediante la aplicación de un sesgo entre la punta y la superficie, los electrones túnel entre los dos. En el modo más común, el modo de corriente constante, se puede mapear la topografía de la superficie de la muestra por raster-escanear la punta de ida y vuelta. Además, la estructura electrónica local de la muestra se puede estudiar mediante el examen de una conductancia diferencial espectro dI / dV, que es proporcional al de localesnsity de estados (LDOS). Esta medición se denomina a menudo espectroscopía de efecto túnel (STS). Al controlar por separado las tensiones de polarización y de back-gate, la respuesta de grafeno a las impurezas puede ser estudiado mediante el análisis del comportamiento de estos espectros dI / dV. 2-5
En este informe, la fabricación de un dispositivo de grafeno back-cerrada decorada con impurezas Coulomb (por ejemplo, carga átomos de Ca) se perfila. El dispositivo consta de elementos en el siguiente orden (de arriba a abajo): adatoms de calcio y clusters, grafeno, nitruro de boro hexagonal (h-BN), dióxido de silicio (SiO 2), y de silicio a granel (Figura 1). h-BN es una película delgada aislante, que proporciona un sustrato atómicamente plana y eléctricamente homogénea para el grafeno. 19-21 h-BN y SiO 2 actúan como dieléctricos, y mayor Si sirve como la parte posterior-gate.
Para fabricar el dispositivo, el grafeno es cultivado por primera vez en un electrochemicamente pulida lámina Cu 22,23, que actúa como una superficie catalítica limpia para la deposición química de vapor (CVD) 22-25 de grafeno. En un crecimiento CVD, el metano (CH4) y el hidrógeno (H 2) gases precursores sometidos a pirólisis para formar dominios de cristales de grafeno sobre la lámina de cobre. Estos dominios crecer y eventualmente se funden, formando una hoja de grafeno policristalino. 25 El grafeno resultante se transfiere sobre el sustrato objetivo, un / SiO 2 chip de h-BN (preparado por exfoliación mecánica de 19-21 h-BN sobre una SiO 2 / Si (100) chip), a través de poli (metacrilato de metilo) (PMMA). transferencia 26-28 En la transferencia de PMMA, el grafeno en Cu es primero espín-revestido con una capa de PMMA. El / grafeno / muestra PMMA Cu entonces flota en una solución de reactivo de ataque (por ejemplo, FeCl 3 (aq) 28), que graba la distancia Cu. La muestra sin tratar PMMA / grafeno se pesca con un chip de h-BN / SiO2 y, posteriormente,limpian en un disolvente orgánico (por ejemplo, CH 2 Cl 2) y Ar / H 2 29,30 ambiente para eliminar la capa de PMMA. El grafeno resultante / h-BN / SiO muestra 2 / Si es entonces de alambre unido a contactos eléctricos en una ultra-alto vacío (UHV) placa de muestra y recocida en una cámara UHV. Por último, el dispositivo de grafeno se deposita in situ con impurezas Coulomb (por ejemplo, acusado átomos de Ca) y estudiado por STM. 2-5
Protocol
Representative Results
Discussion
Para la caracterización STM, objetivos críticos de la fabricación del dispositivo de grafeno incluyen: 1) hacer crecer grafeno monocapa con un número mínimo de defectos, 2) obtener una grande, limpio, uniforme, y la superficie de grafeno continua, 3) el montaje de un dispositivo de grafeno con alta resistencia entre el grafeno y la puerta (es decir, no "pérdida en la puerta"), y 4) depositar impurezas individuales Coulomb.
El primer objetivo se rige por el proceso CV…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Nuestra investigación fue apoyada por el Director de la Oficina de Ciencia, Oficina de Energía de Ciencias Básicas del Departamento de Energía de Estados Unidos Programa sp2 bajo contrato no. DE-AC02-05CH11231 (desarrollo de instrumentación STM y la integración del dispositivo); la Oficina de Investigación Naval (caracterización de dispositivos), y el premio NSF no. CMMI-1235361 (dI / dV imagen). Se analizaron y se prestan utilizando el software WSxM datos STM. 33 DW y AJB fueron apoyados por el Departamento de Defensa (DoD) a través del Programa de Defensa Nacional de Ciencias e Ingeniería 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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