Method Article
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.
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.
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
1. Polissage électrochimique d'un Cu Foil 22,23
Remarque: le polissage électrochimique de Cu nu expose surface pour la croissance de graphène en enlevant le revêtement de surface de protection et de contrôle de la densité d'ensemencement de croissance.
2. Chemical Vapor Deposition (CVD) de graphène sur un Cu Foil 22-25
3. L'exfoliation mécanique de 19-21 h-BN sur un SiO 2 Chip
4. Poly (méthacrylate de méthyle) (PMMA) de 26 à 28 sur le transfert de graphène h-BN / SiO 2
5. Ar / H 2 recuit 29,30
6. Assemblage d'un graphène périphérique Porte-accordable pour STM mesure 2-5
7. STM Astuce étalonnage sur Au (111) Surface 31
8. Numérisation graphène
9. dépôt Coulomb impuretés sur un graphène surface 2-4
La figure 1 illustre un schéma d'un dispositif de graphène arrière-dépendants. Wire-bonding Au / Ti contact à un UHV motif de la plaque d'échantillon graphène électriquement, tandis que le fil de liaison Si vrac à une électrode qui se connecte à un circuit externe portes arrière du dispositif. En arrière-gating un dispositif, un état de charge d'une impureté Coulomb à un biais d'échantillonnage donnée (qui est contrôlé par la pointe du STM) peut être accordé à un état de charge différent. 2-4
La figure 2 illustre les étapes de fabrication d'un dispositif de graphène porte-accordable. Une feuille de Cu est d'abord électrochimiquement poli pour enlever son revêtement de surface de protection et de modifier sa densité de graines de la croissance. 23,24 Après polissage électrochimique, la feuille de Cu devrait apparaître brillants sous l'œil nu qu'avant que sa surface aurait dû devenir plus lisse. La feuille de Cu électrochimique poli agit alors comme un substrat catalytique pour la croissance CVD de graphène. Le graphène est ensuite transferred sur un substrat 2 h-BN / SiO par virement PMMA. L'échantillon résultant est nettoyé dans une atmosphère d'Ar 2 / H et caractérisé (figure 3). Par la suite, il est assemblé dans un dispositif de back-fermée.
Avant de l'échantillon est monté dans un dispositif de rétro-fermée, la surface de graphène est caractérisée par un microscope optique (figure 3A), la spectroscopie Raman (figure 3B), et AFM (figure 3C). Avec une image optique du microscope, il est aisé de vérifier la propreté, la continuité et le nombre de couches de graphène tout au long de la totalité de l'échantillon. Avec un spectre Raman, le nombre de couches de graphène et le niveau de défaut peut être évaluée par l'examen de la I G:. Je 2D ratio d'intensité maximale et l'intensité D de pointe, respectivement 32 Avec une image de l'AFM, diverses caractéristiques - la propreté, l'uniformité, la rugosité de surface, etc. - De l'échantillon peut être fiable evald'atténuations à une petite échelle de longueur (<500 nm). Un bon échantillon doit apparaître propre, continue, uniforme et monocouche sous les deux microscope AFM et images optiques. En outre, un bon échantillon doit présenter une intensité minimale de D de pointe (un signe de défaut minime) et moins de 1: 2 rapport de I G: Je 2D ratio d'intensité du pic (un signe de monocouche) en spectroscopie Raman 32.
Avant le dispositif peut être caractérisé en vertu d'un STM, une pointe de STM doit être étalonné sur une Au surface (111) de découpler les états provenant des états de surface de l'échantillon de pointe du STM autant que possible. Sans l'étalonnage de pointe, la conductance différentielle spectre dI / dV apparaîtra contourné en raison d'un couplage fort entre les Etats pointe et les états de surface de l'échantillon: en d'autres termes, les données de la STM prises à partir d'un embout calibré peuvent ne pas représenter la propriété réelle de l'échantillon . Pour calibrer la pointe, la pointe du STM est répétitive pulsé / fourré dans une Au (111) surface jusqu'à ce qu'une image haute résolution de la reconstruction de chevrons (figure 4A) peut être obtenu et un spectre dl / DV apparaît comparable à la norme Au (111) spectre dl / DV (figure 4B). Le spectre dl / DV doit présenter une étape forte au V échantillon ≈ 0,5 V, ce qui représente le début de l'Au (111) état de surface. En outre, le spectre dl / DV doit présenter aucun pics et des creux anormales, qui peuvent apparaître comme des artefacts lors de l'exécution des mesures dl / DV sur le graphène.
Après l'étalonnage de pointe, la surface de l'échantillon est examiné avec la STM. La figure 5A montre un motif Moiré pour graphène / h-BN, qui découle d'une inadéquation dans les constantes de réseau de graphène et h-BN. La longueur d'onde d'un motif Moiré dépend de l'angle de rotation entre le graphène et réseaux h-BN sous-jacents: plus l'angle de torsion, plus la longueur d'onde. Apparence de Moiré patte rn confirme la présence de graphène sur un substrat propre h-BN. Une fois la surface de l'échantillon est examiné, les ions Ca sont déposés sur le graphène, dont la topographie est illustré à la figure 5B. Un motif moiré apparaît en arrière-plan de l'image. Atomes Ca Une fois chargées sont déposés avec succès, pointe STM peut construire noyaux artificiel constitué d'multiple chargée dimères Ca en poussant chaque dimère en petits groupes. Résultats de l'étude de la STM pour chargées adatomes Co et Ca sont présentés dans Réf. 2 et 3 et Réf. 4, respectivement.
Figure 1. Schéma d'un dispositif de graphène porte-accordable. Le graphène est fondée sur la plaque de l'échantillon alors que la couche de Si se connecte à une électrode de grille par un fil de liaison. 2-5 S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 3. Pré-STM caractérisation d'un graphène / h-BN / SiO 2 hétérostructure. (A) Image en microscopie optique du graphène / h-BN / SiO 2 hétérostructure. (B) Raman spectrhum du graphène / SiO 2 région. Spectre Raman du graphène est caractérisé par D (~ 1 350 cm -1), G (~ 1 580 cm -1), et 2D (~ 2690 cm -1) pics 32 (C) Microscope à force atomique (AFM) image de graphène. / h-BN / SiO 2 région. Cette image est une carte de hauteur prises avec mode tapping AFM. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 4. STM caractérisation de Au (111) surface pour l'étalonnage de pointe du STM. 31 (A) Topographie de Au (111). (B) standard dl / spectre dV de Au (111). S'il vous plaît, cliquez ici pour afficher une plus grande version de ce chiffre.
Figure 5. STM Topographie d'impuretés Coulomb sur le graphène. (A) pour la configuration de moirage graphène / h-BN. 20,21 (B) Ca adatomes sur le graphène. 4 S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.
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 premier objectif est régi par le procédé CVD, au cours de laquelle le graphène croît sur une feuille de Cu. Bien qu'il existe plusieurs candidats de substrat (par exemple, Ni, Ru, Ir, Pt, Co, Pd, etc.) monocouche de graphène, Cu est bien connue pour produire une monocouche de graphène plus sélectivement en raison de sa très faible solubilité du carbone. 25 Néanmoins, croissance sélective peut encore être difficile et incohérente en raison d'un large éventail de facteurs. 22-25 Bien polissage électrochimique fournit certainement une meilleure condition de substrat pour gla croissance de raphene, nos caractérisations de l'AFM ont montré que la surface Cu reste non uniforme et rugueux au niveau microscopique. En outre, le niveau de contamination par des résidus chimiques peut varier d'une feuille de papier d'aluminium. paramètres de recuit sont essentiels pour fournir systématiquement une surface Cu propre et uniforme pendant la croissance. Recuire le Cu à haute température (1050 ° C) à proximité de son point de fusion (1 085 ° C) avec un débit élevé de l'hydrogène (~ 200 sccm) semble offrir une surface Cu toujours propre et uniforme avec de grands domaines Cu. 22 La croissance température, régime de pression, et CH 4: H 2 rapport de débit peut alors être systématiquement optimisée jusqu'à monocouche de graphène avec un nombre minimal de défauts est obtenue.
Le deuxième objectif - obtenir un grand, propre, uniforme, et la surface de graphène continue - est régi par le transfert PMMA et Ar / H 2 recuit. Bien qu'il existe un certain nombre de différents graphène tranméthodes SFER (par exemple, le PMMA sec / transfert PDMS 27, PDMS humide transfert 24, etc.), transfert PMMA avec FeCl solution 3 (aq) de gravure 28 a constamment permis surfaces de graphène les plus continues / uniforme. Cependant, cette méthode laisse une densité élevée de résidu chimique sur la surface de graphène. Pour résoudre ce problème, le taux et le temps spin-coating ont d'abord été optimisées pour réaliser la couche de PMMA aussi uniforme que possible. En outre, de multiples étapes de nettoyage avec des baignoires d'eau ultra-pure ont été introduites pour enlever les résidus de produits chimiques de la surface arrière du graphène avant le pêcher avec une puce 2 h-BN / SiO. A partir de ces efforts, des échantillons relativement propres, comme on le voit par un microscope optique, ont été transférés de manière cohérente. Aucune variation de la méthode de transfert PMMA, cependant, peut nettoyer complètement la surface de graphène comme il laisse toujours une fine couche de PMMA. Pour obtenir une surface atomiquement propre (études de STM exigent régions propres &# 62; 100 nm 2), une série de procédures de recuit doit être effectué. Ar / H 2 recuit permet d'éliminer efficacement une majorité de la couche de PMMA. Après Ar / H 2 recuit, 29 la surface de graphène semble être propre sous inspection par l'AFM ambiante (Figure 3). Pourtant, une couche de PMMA mince indétectable par l'AFM ambiante couvre encore la surface de graphène, qui exige en outre situ UHV recuit pour enlever. Il est important de garder à l'esprit que le transfert post-recuit ne peut nettoyer une surface relativement sans résidu seulement; propreté ultime d'un échantillon dépend principalement sur le transfert.
Le troisième objectif - assemblage d'un dispositif de graphène sans aucune fuite de grille - est régi par / H 2 étapes-Ar poste de recuit. Lors du montage de l'appareil sur une plaque de l'échantillon, il est essentiel de débrancher électriquement le dispositif du reste de la plaque de l'échantillon avec des flocons de saphir; le seul contact électrique entre til échantillonner plaque et le dispositif devrait être les fils-obligations. Wire-bonding introduit le risque de casser l'appareil si l'alimentation fournie est trop élevée comme toute forme de fracture dans la couche de SiO 2 (indépendamment de leur taille) peut entraîner une fuite de grille. Paramètres Wire-collage doivent donc être optimisés à l'avance. Parce que les fuites de grille peut se produire non seulement dans l'appareil, mais aussi dans toute la chambre STM, une grande quantité de temps et de ressources peut être gaspillé pour identifier et corriger la source de la fuite. Il est important de réduire au minimum le risque de fuite de grille lors de l'assemblage d'un dispositif de graphène.
Le quatrième objectif - le dépôt d'impuretés Coulomb individuels - est régie par les étapes d'étalonnage avant le dépôt. Il est impératif d'optimiser les paramètres de dépôt dans la chambre de test (UHV et en outre sur le Cu (100) surface in situ) pour un dépôt contrôlé. Pureté du dépôt doit être soigneusement évaluée avec un RGA parce IMPU aléatoirerités ne sera pas seulement de fausser le taux de dépôt mesurée par QCM mais aussi entraîner dopage indésirable. Si l'appareil a été dopé de façon irréversible par une impureté inconnue, la réponse du graphène de Coulomb impuretés peut être modifiée de manière indésirable.
En plus de ces défis, une étude de la STM peut être limitée de plusieurs manières. Dans une mesure de la conductance différentielle, il est impossible de dissocier complètement les états électroniques de pointe des Etats-échantillon. Même avec une pointe bien calibré, il peut être difficile de déterminer l'origine d'une caractéristique spectroscopique. En outre, l'information obtenue à partir de mesures effectuées dans UHV (10 -10 Torr) et un T = 4 K peut ne pas être pertinents à des appareils exploités dans des conditions moins idéales.
Cela étant dit, la STM a de nombreux avantages par rapport à d'autres techniques. Il a non seulement une résolution de haute énergie (quelques meV) mais aussi une haute résolution spatiale (~ 10 h). A titre de comparaison, ARPES a une r spatiale relativement faibleRESOLUTION (sub-micronique), mais une résolution d'énergie comparable (peu de MeV). STM peut également être utilisée pour manipuler la position des atomes individuels sur un dispositif pour créer de nouveaux configurations de charge. Par exemple, Yang et al. Créé noyaux artificiels de dimères Ca chargés sur un dispositif de graphène back-fermée, avec une pointe de STM et caractérisé un état d'effondrement atomique sur la surface de graphène. 4 Avec ces avantages à l'esprit, la STM est l'un des plus puissants et des techniques fiables pour caractériser la réponse spatialement dépendante du graphène à diverses perturbations dans un environnement bien contrôlé.
Études STM de dispositifs de graphène porte-accordable déposés auprès impuretés Coulomb sont précieux non seulement pour tester des théories fondamentales, mais aussi pour la compréhension des applications de dispositifs hybrides de graphène. Ils peuvent vérifier les prédictions expérimentalement fondamentales sur le comportement de fermions sans masse de Dirac dans de nouveaux systèmes, qui présentent Beha significativement différenteVior rapport à des porteurs de charge dans les systèmes conventionnels. 15-18 En outre, de telles études peuvent révéler certains des plus inattendus caractéristiques de graphène 4, ce qui conduit à une compréhension plus profonde de porteurs de charge dans les régimes relativistes. Un nouvel éclairage sur les lois physiques qui régissent les systèmes de graphène sera très bénéfique pour la précision de réglage des propriétés des dispositifs de graphène hybrides. 2-5
Authors have nothing to disclose.
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.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Cu foil | Alfa Aesar | CAS # 7440-50-8 Lot # F22X029 Stock # 13382 | 99.8% Cu |
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 T. Taniguchi Group | Contact the group | hexagonal Japanese BN (JBN) |
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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