Coulomb İmpürite Tarama Tünel Mikroskobu Çalışmaları Kapısı-ayarlanabilir Grafen Cihazlarının İmalatı

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.

Onun göreli düşük enerjili yük taşıyıcılarının sayesinde, grafen ve çeşitli kirlilikler arasındaki etkileşim, yeni fizik ve elektronik cihazları kontrol etmek serbestlik derecesi bir zenginlik yol açar. Özel olarak, şarj Coulomb pisliklerden potansiyellerine yanıt olarak grafenin yük taşıyıcıların davranışı çok malzeme bu önemli ölçüde farklılık tahmin edilmektedir. Taramalı tünelleme mikroskobu (TTM) ve taramalı tünelleme spektroskopisi (STS) şarjlı bir kirlilik mevcudiyetinde grafenin elektronik yapısı mekansal ve enerji bağımlılığı hem detaylı bilgi sağlayabilir. melez bir kirlilik-grafen cihazın tasarımı, arka kapılı grafen yüzeye kirliliklerin kontrollü birikimi kullanılarak imal, kontrollü ayar grafenin elektronik özellikleri için çeşitli yeni yöntemler sağladı. ^1-8 Elektrostatik yolluk grafen şarj taşıyıcı yoğunluğunun kontrolünü sağlar ve yetenek reversi içinbly ayar Ücret ² ve / veya bir safsızlığın molekül ⁵ belirtir. Bu yazıda kombine STM / STS çalışmalar için bireysel Coulomb kirliliklerin süslenmiş bir kapı ayarlanabilir grafen cihazı imalatı sürecini özetliyor. ^2-5 Bu çalışmalar melez grafen cihazları tasarlamak için değerli altında yatan fizik içgörüler yanı sıra tabelaları sağlar.

Grafen olağanüstü, elektriksel, optik ve mekanik özellikler ortaya çıkarmaktadır benzersiz bir doğrusal bant yapısı, bir iki-boyutlu bir malzemedir. ^1,9-16 Düşük enerjili yük taşıyıcıları olan göreli, kütlesiz Dirac fermiyonlar ¹⁵ olarak tanımlanmaktadır davranış, geleneksel sistemlerde relativistik olmayan yük taşıyıcıların bu önemli ölçüde farklıdır. grafen üzerine kirliliklerin çeşitli ^15-18 Kontrollü birikim tedirginlikler bir dizi bu rölativistik yük taşıyıcıların yanıt deneysel çalışmalar için basit ama çok yönlü bir platform sağlar. Bu tür sistemlerin soruşturmalar grafen kirlilikler, kimyasal potansiyel ^6,7 vardiya etkili dielektrik sabiti ⁸ değiştirebilir ve potansiyel elektronik aracılı süperiletkenlik ⁹ yol açabilir ortaya koyuyor. Bu çalışmaların çoğu melez impurit özelliklerini ayarlanması için bir araç olarak ^6-8 istihdam elektrostatik yolluky-grafen cihaz. Elektrostatik yolluk histerezis olmayan Fermi seviyesine göre bir materyalin elektronik yapı kayabilir. ^2-5 Ayrıca, bu tür yabancı maddelerin şarj ² veya moleküler ⁵ durumları ayarlanması sureti ile elektrostatik yolluk tersine çevrilebilir bir melez yabancı madde-grafin özelliklerini değiştirebilir cihazı.

Arka yolluk bir grafen cihazı taramalı tünelleme mikroskobu (STM) tarafından soruşturma için ideal bir sistem sağlar. Bir taramalı tünelleme mikroskobu iletken yüzeyden birkaç angström uzakta tutulan bir keskin metal ucu oluşur. Bu ikisi arasındaki ucu ve yüzey elektronlar tünel arasında bir sapma uygulayarak. En yaygın modunda, sabit akım modu, tek raster-taramaya ileri ve geri ucu ile numune yüzeyinin topografyası yapabilirsiniz. Buna ek olarak, numunenin yerel elektronik yapısı, yerel de orantılı bir diferansiyel iletkenlik dl / dV spektrumunu inceleyerek ele alınabilirdevletlerin nsity (yerel durum yoğunluklarındaki). Bu ölçüm genellikle taramalı tünelleme spektroskopisi (STS) olarak adlandırılır. Ayrı ayrı önyargı ve arka kapı gerilimleri kontrol ederek, kirlilikler için grafen cevabı bu dl / dV spektrumları davranışını analiz ederek ele alınabilir. ^2-5

Bu raporda, Coulomb kirlilikler ile dekore edilmiş bir arka kapılı grafen cihazın imalat özetlenmiştir (örneğin, Ca atomu yüklü). Kalsiyum adatoms ve gruplarının grafen, altıgen bor nitrür (h-BN), silisyum dioksit _(SiO2), ve dökme silikon (Şekil 1): cihazı (üstten alta) aşağıdaki sırayla elemanlardan oluşur. h-BN grafen için atomik düz ve elektriksel homojen substrat sağlayan bir yalıtım ince filmdir. ^19-21 h-BN ve SiO dielektriklerde olarak ₂ hareket ve toplu Si arka kapısı olarak hizmet vermektedir.

Cihazı imal etmek, grafen ilk bir Electroche yetiştirilenkimyasal buhar biriktirme (CVD) grafen ^22-25 için temiz katalitik yüzey olarak hareket eden ışınıyla perdahlı Cu folyo ^22,23. CVD büyümede, metan _(CH4) ve hidrojen _(H2) ön-madde gazlar Cu folyo üzerine grafin kristallerinin etki oluşturmak için piroliz geçer. Bu alanlar ve sonunda bir polikristalin grafin yaprağının oluşturulması, bir araya birleştirmek büyür. ²⁵ elde edilen grafin, hedef alt-tabaka üzerine aktarılır, _SiO2 üzerinde h-BN mekanik pul pul dökülme ^19-21 hazırlanan bir h-BN / _SİO2 yonga (/ Si (100) çip), poli ile (metil metakrilat) (PMMA) transferi. ^26-28 PMMA transferi olarak, Cu grafin ilk PMMA bir tabaka ile Spin-kaplanmaktadır. PMMA / grafen / Cu Numune daha sonra bir dağlayıcı çözüm üzerinde yüzen (örneğin, _FeCl3 (aq) ²⁸⁾ Cu uzak etches. girmemiş PMMA / grafen numune sonradan h-BN / SiO ₂ çipi ile avlanır(örneğin, CH2C! ₂₎ ve Ar, / _H2 ortamında ^29,30 PMMA tabakayı kaldırmak için bir organik çözücü içinde temizlenir. Elde edilen grafin / h-BN / _SiO2 / Si Örnek daha sonra tel bağlanmış bir ultra yüksek vakum altında (UHV) numune plakası üzerine elektrik kontakları ve bir UHV odasında tavlanır. Son olarak, grafen cihazı Coulomb kirlilikler ile yerinde bırakılır (örneğin, Ca atomu yüklü) ve STM tarafından incelenmiştir. ^2-5

Cu Folyo ^22,23 1. Elektrokimyasal parlatma

Not: Elektrokimyasal parlatma koruyucu yüzey kaplama kaldırarak grafen büyümesi için çıplak Cu yüzeyi ortaya çıkarır ve büyüme tohum yoğunluğunu kontrol eder.

1. 100 ml ultra saf su, 50 mi etanol, 50 ml fosforik asit 10 ml izopropanol, ve 1 g üre karıştırılmasıyla bir elektrokimyasal parlatma çözelti hazırlayın.
2. 3 cm folyolar ile birden içine 3 cm Cu folyo kesin. Not: her folyo, bir anot ya da bir katot olarak hizmet eder.
3. Bir tutucu ile dikey Cu folyo kırpma ve güç kaynağının uygun terminaline bağlanarak anot / katot ayarlayın.
   Not: anot (pozitif uç) grafen büyümesi için elektrokimyasal cilalı olacaktır.
4. Parlatma başlamadan önce, güç kaynağı 4.8 V sabit voltaj ayarlayın.
5. Anot ve katot kısa sürede güç kaynağı açın anda electrochemi içine daldırılırcal parlatma çözüm. Yaklaşık 2 cm elektrotları ayırın. Elde edilen akım 1-2 A arasında olup olmadığını kontrol edin
6. Güç kaynağı kapatarak 2 dakika sonra elektrokimyasal parlatma durdurun. Anot çıkarın ve hemen ultra saf su, aseton ve izopropanol ile ayrı ayrı durulayın.
7. N ₂ gazı ile durulanır Cu folyo fön ve kuru bir kapta saklayın.

Cu Folyo ^22-25 tarihinde Grafen 2. Kimyasal Buhar Biriktirme (CVD)

1. CVD fırında bir kuvars tüpü yerleştirin ve KF parçaları ile gaz hattına geri kalanına tüp bağlayın.
2. Bir kuvars tekne üstünde bir elektrokimyasal cilalı Cu folyo koyun. Cu folyo CVD fırının ortasına yerleştirilir kadar uzun bir çubuk kullanarak, kuvars tüp içine kuvars tekne itin. KF parçaları ile sistem içine alın.
3. Bir kaba pompa ile sistem aşağı Pompa. H ₂ ile sistemi temizlemek.
4. 1050 sıcaklığı kadar rampa6; C H ₂ 200 sccm'lik ile. 2 st için aynı gaz akışı ile 1050 ° C ile birleşecek.
   Not: Sıcaklık aracılığıyla ölçülür yerleşik K tipi termokupl tüp fırında.
5. Aynı gaz akışı ile 1030 ° C'ye kadar soğutun. 40 SCCM CH ₄ ve 10 sccm _H2 ile 10 dakika boyunca grafen büyütün.
6. En kısa sürede büyümesi üzerine olduğu gibi, haksız fiil aşağı hızla soğumaya fırın kaputu açın. Aynı gaz akışı tutun.
7. Sıcaklığı 100 ° C'nin altında olduğu zaman, gaz akışı kapatın.
8. Pompayı kapatın. Yavaş yavaş gaz hattı ve _N2 gaz silindiri arasındaki ölçme vanasını açarak N ₂ gazı ile sisteme havalandırın.
9. Örnek çıkar. İstenilen boyutlarda parçalara Cu folyo kesin.
10. Bir desikatör içinde kuru bir kapta örnek saklayın.

Bir SiO ₂ Chip üzerine h-BN 3. Mekanik Eksfoliasyon ^19-21

1. Bir SiO ₂ yongasını temizleyin. Not: SiO ₂ çip toplu Si üstünde yaklaşık 285 nm kalınlığında bir _SiO2 tabakadan oluşur.
   1. Bir elmas çizici kullanarak 1 cm'lik cips yaklaşık 1 cm içine SiO ₂ gofret kesin.
   2. Su ve izopropanol ile _SiO2 çip durulayın. Her durulama sonrasında su / izopropanol ile kaplı SiO ₂ yüzeyini tutun.
   3. Yüzeyinden sıvıyı çıkarmak için Spin kaplayıcı üzerinde SiO ₂ çipi yerleştirin. 15 sn 3,000 rpm ile çip Spin.
   4. Karanlık alan ayarı ile bir optik mikroskop altında çip temizliğini kontrol edin. Not: karanlık alan ayarının altında katı artıklar parlak parçacıklar görünür.
2. Bir optik mikroskop ile temiz bir masanın üzerine temiz bir SiO ₂ çipi, pul pul dökülme bant ve h-BN kristal yerleştirin.
3. Bir ana bant ve ikinci kaset: iki şerit hazırlayın. Onların yapışkan tarafı ile masaya hem yukarı yerleştirin. Ebeveyn bandın yapışkan tarafında bir h-BN kristal yerleştirin.
4. S yerleştirinebeveyn kasete h-BN kristal üzerine ikinci bandın ticky tarafı (ikinci ve ana bantlar yapışkan kenarları dokunmadan böylece). Hava kabarcığı kaldırmak için hafifçe kristal üzerine sürün.
5. İkinci kaset üzerine h-BN kristal pul pul ikinci şeridi sıyırın. Ileride kullanmak üzere üst bandı saklayın.
6. , Kendi üzerine ikinci bandı katlayın kristal üzerine hafifçe ovmak ve şeridi sıyırın. H-BN kristalleri ikinci bant, her zaman yepyeni bir bölgeye aktarılır, böylece ikinci bandı katlama, Bu işlemi 10 kez tekrarlayın.
7. Mikroskop altında temiz bir SiO ₂ çipi yerleştirin. SiO ₂ çip üzerine h-BN kristal içeren ikinci bant bölgesini yapıştırın. Teyp de gelecek pul pul dökülme aşamasında çip güvenliği için mikroskop stand yapışıyor emin olun.
8. Yavaşça mikroskop altında sürecinin izlenmesi, şeridi sıyırın. Bant neredeyse sıyrılır gibi, SiO ₂ tutmak için bir cımbız kullanın yongası. Not: Çok hızlı Soyma yonga üzerinde daha az h-BN gevreği neden olacaktır.
9. Bant sıyrılır sonra CVD ocağı içindeki çip yerleştirin. 2 saat boyunca 500 ° C de hava içinde çip tavlanması.

4. Poli (metil metakrilat) (PMMA) üzerinde grafen ^26-28 Aktarım h-BN / _SiO2

1. Grafen / Cu / grafen folyo üzerine PMMA (A4) bir damla koyun. Spin-ceket 30 sn içinde 3.000 rpm ile folyo. Not: _FeCl3 (aq) yaklaşan aşındırma aşamasında Cu katmanı uzak etches gibi PMMA / grafen tabakası girmemiş (Şekil 2) kalacaktır olurken, arka grafen kapalı düşecek.
2. _FeCl3 (aq) ultra saf su 5 dakika, FeCl ₃ (aq), 5 1 dk 1,5 dk: Bir _FeCl3 dayanıklı kaşık kullanarak, spin-kaplı Cu folyo bu sıraya göre aşağıdaki çözümlere şamandıra izin Ultra saf su dak, _FeCl3 (sulu), ultra saf su ile 5 dakika, ultra saf su borular üzerinde 5 dakika ile 15 dakikar ve ultra saf su 30 dakika. Ayrı bir kabta her ultra saf su banyosu hazırlayın.
3. Bir h-BN / SiO ₂ çipi ile PMMA / grafen örneği Balık. Suyun çıkarılması için 10 dk için, 80 ° C'de bir sıcak plaka üzerine yerleştirin ve 180 ° C'de 15 dakika ²⁷ PMMA filmi dinlenmesi için.
4. CH ₂ Cl ₂ O PMMA / grafen / h-BN / SiO ₂ çip yerleştirin / N PMMA katmanı çözmek için.

5. Ar / H ₂ Tavlama ^29,30

1. CVD fırının üzerine kuvars tüp yerleştirin ve KF parçaları ile gaz hattına geri kalanına tüp bağlayın.
2. Bir kuvars teknede grafen / BN / SiO ₂ çipi yerleştirin. Çip CVD fırının ortasına yerleştirilir kadar uzun bir çubuk kullanarak, kuvars tüp içine kuvars tekne itin. KF parçaları ile sistem içine alın.
3. Bir kaba pompa ile sistem aşağı Pompa. H ₂ ve Ar ile sisteminizi temizleyin.
4. 100 sc ile 1 atm basınç oluşturulmasıcm, H ₂ ve 200 bir ölçme valfı ile Ar SCCM. Basınç 1 atm ulaştığında, 1 atm'de basıncı stabilize etmek üzere ölçme valfinin diyafram boyutunu ayarlamak.
5. Aynı gaz akımı ile 5 saat boyunca 350 ° C sıcaklık ve tavlama hızlandırılmasıdır.
6. Aynı gaz akışı ile oda sıcaklığına soğutun.
7. Sıcaklığı 100 ° C'nin altında olduğu zaman, gaz akışı kapatın. Tüm vanaları kapatın.
8. Pompayı kapatın. Yavaş yavaş gaz hattı ve _N2 gaz silindiri arasındaki ölçme vanasını açarak N ₂ gazı ile sisteme havalandırın.
9. Örnek çıkar. Grafen katmanları ve Raman spektroskopisi ³² kusur düzey sayısını kontrol edin. Optik mikroskop altında temizlik / tekdüzelik edin. Atomik kuvvet mikroskobu (AFM) ile optik mikroskop altında temiz görünür Tarama birden alanlar örnek de küçük bir uzunluk ölçeği (<500 nm) temiz / üniforma görünür olmasını sağlamak için.
10. Bir iç kuru bir kapta saklayındesiccator.

6. STM Ölçüm ^2-5 için Kapısı-ayarlanabilir Grafen Cihazı Montaj

1. Ar / _H2 üzerine 50 mikron ile 50 mikron Au / Ti kontakt pedi buharlaşması CVD grafen / h-BN / SiO ₂ numuneyi -annealed.
   1. Bir micromanipulator üstüne bir sahneye örnek bantlayın.
   2. Optik mikroskop ile izlerken, Au / Ti temas yüzeyini kaplayan olmadan ilgi bölgenin yakınında tevdi edilecek, böylece mikromanipülatör kullanarak grafen ile şablon maske hizalayın.
   3. Bir e-ışın evaporatöre şablon maskesi ile örnek aktarın. 3 Å / sn Ti 10 nm buharlaşır. Vakum bozmadan aynı buharlaşma seansta 3 Å / sn Au 30-50 nm buharlaştırılması ile Ti katmanı örtün. Not: Alternatif olarak, Cr 1 nm Ti 10 nm için iyi bir alternatiftir.
   4. Sahne kaldırmak için mikromanipülatör geri şablon maskesi ile örnek aktarın.
2. Dağı ultra-yüksek vakum (UHV) numune plaka üzerine örnek.
   1. Bir UHV örnek plaka üzerinde safir ince bir parça yerleştirin. Not: Si ve STM toprak arasındaki elektriksel teması engelleyen bir yalıtım tabakası olarak safir görür. Bundan başka, Safir örneği tavlama amacıyla mükemmel bir ısı iletkendir.
   2. Safir en ilgili örnek yerleştirin. Numune üzerinde safir başka ince bir parça yerleştirin. Safir grafen yüzeyini kaplayan olmadığından emin olun.
   3. Metalik kelepçe ile safir / numune / safir yapısını sabitleyin. Tüm yapı rijit olduğundan emin olun veya başka bir STM içinde titrer.
3. UHV örnek plaka terminalleri Tel-bono grafen cihazda kişileri mülk için. Not: yatırılan Au / Ti elektrotlar tel bağlanmış Si toplu tel bağlanmış kapı elektrot (Şekil 1) ise toprağa bulunmaktadır.
   1. Topraklı tel bağlama sahnede monte örnek yerleştirin.
   2. Bir optik mikroskop kullanılarak Au / Ti kişileri yerleri belirleyin.
   3. Bir tel Bonder açın. Tel Bonder pnömatik ise, N ₂ gazı açın. İki bağları yapmak için tel Bonder ayarlayın.
   4. Bir tel bağlama kolunu kullanarak, UHV örnek plaka üzerinde uygun terminalin üstüne tel yapıştırıcının ucu yerleştirin. Aşağı taşı ve tel Bonder yapıştırma bitmiş olduğunu gösterir kadar yavaşça terminalin üzerine tel yapıştırıcının ucu bastırın.
   5. Grafen cihazda Au / Ti kişiye bir tel geçirin. Aşağı taşı ve tel Bonder yapıştırma bitmiş olduğunu gösterir kadar yavaşça Au / Ti temas üzerine tel yapıştırıcının ucu bastırın.
   6. Arka kapısı olarak kullanılacaktır Si göstermek için SiO ₂ çip kenarında bazı SiO ₂ kapalı kazımak için bir elmas çubuk kullanın. Maruz Si için iki yapıştırma işlemi tekrarlayın.
   7. Bir UHV (10 ^-10 Torr) hazırlık odasının içine numuneyi yerleştirin ve tel bağlanmış g tavlanmasıyaklaşık 300 ° C 'de raphene cihazı. Bir STM odasına cihazı aktarın.
      Not: yüzeyi STM altında temiz görünene kadar grafen cihazı (. Bölümüne bakınız Protokolün 8) tavlı olmalıdır. tavlama süresi cihazın ilk temizlik bağlı olarak değişecektir.

(111) Yüzey ³¹ Au 7. STM İpucu Kalibrasyon

1. Au yüzeyi düzleştirmek / temizlemek için UHV odasında ısıtıcı sahnede tavlama / Bir Au sputter (111) örnek. 375 ° C'de 5 dakika boyunca tavlama ve Ar ⁺ ışın ile 5 dakika boyunca sputter V. STM tarama aşaması için Au (111) bir numunesi, transfer 500 hızlanmıştır.
2. Bir STM ucu ile Au (111) yüzeyi yaklaşın. Au (111) balıksırtı yeniden dek STM ucunda 10 V darbeleri uygulayın açıkça görülebilir.
3. (111) dI / dV spektrumunu ucu şeklini ayarlama ve standart Au diferansiyel iletkenlik dl / dV spektrumunu karşılaştırarak ucu kalibre. ³¹
   1. Temiz / düz bölgeyi tanımlamak için 40 nm kare 40 nm ile Au (111) yüzeyi tarayın. Yüzey basamak kenarları yüksek bir yoğunluğa sahip olursa, tarama için yeni bir alana taşımak.
   2. Yavaşça Au (111) yüzeyin temiz bir bölgeye 1.0 nm STM ucu 0.4 çökebilir; Bu kontrollü çökmesini bir ac modüle gerilim akım tepki üzerine kilit-in üzerinden dI / dV spektrumunu almak için. "poke" geribildirim kapatın ve "Spektroskopisi al" butonuna tıklayınız düğmesi olarak adlandırılır (6 mV ve 613,7 Hz) İpucu önyargı eklendi.
      Not: ucunda sağlanan ac modüle gerilim (6 mV ve 613,7 Hz) sonra ortaya çıkan tünel akımı aynı frekansta akım bileşeni izole eder ve dI / dV sinyalini verir kilit-amplifikatör, gider. Örnek önyargı 1.0 V -1.0 den süpürüldü olarak bu sinyali kaydederek, dI / dV spektrum oluşturulur. Bu spektroskopi programı almak için eve yazılmış, talimat Çünküspektroskopisi farklı programlar arasında değişecektir.
   3. Standart Au (111) dI / dV spektrumu (Şekil 4) karşı elde edilen dI / dV eğrisini kontrol edin. Emin Au (111) yüzey durumu dl / dV eğrisi ve spektrum herhangi anormal özelliği yoktur o mevcut olduğundan emin olun. Ölçülen dl / dV eğrisi kabul edilebilir değilse, dI / dV eğrisi Şekil 4'te gösterilen biri gibi görünüyor kadar adım 7.3.2 yılında körü tekrarlayın.
   4. Uç şekli ve dI / dV spektrumunun optimize sonra, 30 dakika için 15 bekleyin; STM ucu kararsız ise, dI / dV spektrum bu zaman aralığında değişecektir. STM ucu stabil olup olmadığını teyit etmek için farklı bir yerde bir dI / dV spektrumunu yeniden çekin.
   5. Dl / dV eğrisi değişip değişmediğini adım 7.3.2 yılında körü tekrarlayın. Dl / dV eğrisi değişmeden ise grafen tarama devam edin.

8. Tarama Grafen

1. TrBir STM tarama aşamasına grafen cihazı ansfer.
2. STM ucu ve grafen cihazı görmek için uzun mesafeli optik mikroskop kullanın. Sonra yanal ucu ve ilgi h-BN pul hizalayarak, grafen yaklaşım.
3. 2 nm alanına göre 2 nm taramaya başlayın. Yavaşça vb 15 nm, 20 nm ile 20 nm, 10 nm, 15 nm ile 5 nm, 10 nm ile 5 nm Tarama penceresini büyütmek. Büyük bir kirlilik (yükseklik> 100 pm) karşılaştı, ucu çekilme ve farklı bir alana taşıyın.
4. (Ref bkz. 21), bir dI / dV spektrumunu alın ve grafen / h-BN tabaka üzerinde standart dl / dV spektrum karşılaştırın. Spektrum karşılaştırılabilir değilse, bir Au (111) yüzeyinde ucu yeniden kalibre (bkz. Protokolün 7).
5. Tarama birden alanlar karşılaştı ne kadar sık ​​büyük kirlilik (yükseklik> 100 pm) bir anlamda almak için. Bu istatistiklere göre, numunenin temizliğini anlamak.

Bir Grafen Surfac 9. yatırmak Coulomb safsızlıklar^{e, 2-4} arası

1. Ca kaynağı edinin. Bir UHV Test odası içinde bir artık gaz analiz cihazı (RGA) ve kuartz kristali mikro-(QCM) ile Ca atomu buharlaşmasını kalibre edin. Not: QCM Ca birikme oranını ölçer RGA Ca mevduat saflığını değerlendirir.
   1. Ca kaynağı üzerinden akım çalıştırın.
   2. RGA kütle spektrumunda algılandığında 10 ^-10 Torr Ca kısmi basıncı kadar geçerli artırın. Ca ve Ar aynı kütleye sahip ve bu nedenle RGA içinde ayırt edilemez olduğu gerçeğinin farkında olun.
   3. QCM ile Ca çöktürme hızı (tabaka / sn) ölçün.
      1. Girdi yoğunluğu (örneğin, 1.55 g / Ca iyonu için cm ³⁾ mevduat oranını çökelmeye frekans kayması değeri dönüştürmek için.
      2. QCM için birikme hızı monitörü / s birikme hızını okur; Bir tek tabaka kalınlığı (örneğin, 0.228 A Ca iyonu iyonik çapına eşit olduğunu varsayarak katman / sn için bu dönüştürme) Mevduat.
   4. Biriktirme hızı monitörü istenen birikme oranını (örneğin, 3.33 x 10 ^-5 tabaka / sn) gösterene kadar geçerli ayarlayarak optimum akım belirleyin.
2. Çökelme hızı göz önüne alındığında (örneğin, 3.33 x 10 ^-5 tabaka / sn) adım 9.1.3 istenilen ödemesi için zaman (sn) hesaplamak (örneğin, 0.01 tek tabaka) Ca STM, adım 9.1.3 optimal akım ayarı ile in situ olarak bir Cu (100) yüzeyi üzerinde Ca bırakır. Cu STM ile (100) yüzey (adım 8.5 bakınız) sonrası birikimi Ca kapsamı ve temizliğini kontrol edin; STM altında Cu (100) yüzey durumu beklendiği görünür olarak kadar geçerli ayarı yeniden kalibre.
   Not: Biriktirme parametreler kötü kontrollü birikimi ile grafen cihazı kontamine riskini en aza indirmek için Cu (100) ilk optimize edilmiştir.
3. At yerinde birikimi için bir STM ile grafen cihazı aktarın4 K.
4. Mevduat grafen yüzeye Ca atomu ücret.
   1. Grafende CA yerleştirilmeden önce, Ca kaynağı outgass. Adım 9.2 istenilen akım ulaşılana kadar yavaşça 0.25 A her 5-10 dk ile kaynağında akımı artırır. Grafen ulaşmasını outgassed kirletici bilmek grafen ve Ca kaynağı arasındaki bir kapağı kapatın.
   2. Buharlaşma akı çekim açmadan önce 20 dakika süreyle stabilize edelim.
   3. Deklanşörü ve arzu edilen mevduat açın (örneğin, 0.01 tek katmanlı) grafen yüzeyine Ca iyonlarının miktarı. Grafen aygıt hattı görüş Ca kaynağı ile olduğundan emin olun. STM ucu hattının görüş Ca kaynağı STM ucuna yapışmasını Ca atomu önlemek için dışarı olduğundan emin olun.
5. (8.5 Adım bakınız) Ca kapsamı ve STM ile post-biriktirme grafen yüzeyinin temizliğini kontrol edin. Ref bakın. 2, 3 ve grafin ilgili Coulomb kirliliklerin çalışma ayrıca protokol 4.

Şekil 1, bir arka kapı grafin cihazının bir şemasını göstermektedir. Tel bağ elektriksel bir UHV örnek plaka gerekçesiyle grafen Au / Ti temas ederken bir dış devre arka kapılar cihaz bağlayan bir elektrot tel-yapıştırma Si toplu. Geri-yolluk farklı bir şarj durumuna ayarlanmış olabilir bir cihaz (STM ucu ile kontrol edilir), belirli bir örnek önyargı bir Coulomb kirlilik bir şarj durumunu. ^2-4

Şekil 2 kapı ayarlanabilir grafen cihazı imalatı için adımlar özetlenir. Bir Cu folyo ilk elektrokimyasal, Cu folyo önce yüzeyi pürüzsüz hale gelmiştir gerektiği gibi daha çıplak gözle altında daha parlak görünmelidir koruyucu yüzey kaplama kaldırmak ve büyüme tohum yoğunluğunu değiştirebilirsiniz. ^23,24 elektrokimyasal parlatma sonra için parlatılır. elektrokimyasal cilalı Cu folyo sonra grafen CVD büyümesi için katalitik alt tabaka olarak görür. Grafen sonra transferr olduğunuPMMA havalesiyle bir h-BN / SiO ₂ substrat üzerine ed. Elde edilen örnek, bir Ar / _H2 atmosferi temizlenmiş ve (Şekil 3) karakterize edilir. Daha sonra, bir arka-kapılı cihaza monte edilir.

Örnek bir arka kapı cihaz içine monte edilmeden önce, grafin yüzey bir optik mikroskop (Şekil 3A), Raman spektroskopisi (Şekil 3B) ve AFM (Şekil 3C) ile karakterize edilir. Bir optik mikroskop görüntü ile, temizlik, süreklilik ve tüm numune boyunca grafen katmanları sayısını incelemek kolaydır. Bir Raman spektrumu ile, grafen katmanları ve kusur seviyesinin sayısı I _G incelenerek değerlendirilebilir. Ben, sırasıyla tepe yoğunluğu oranı ve D zirve yoğunluğunu _2D ³² AFM görüntü ile, çeşitli özellikleri - temizlik, tekdüzelik, yüzey pürüzlülüğü, vb. - Numune güvenilir Eval olabilirKüçük bir uzunluk ölçeği (<500 nm) havaalanındaki yönlerinden değerlendirmeler yapılmıştır. İyi bir örnek, temiz, sürekli, üniforma görünür, hem optik mikroskop ve AFM görüntüleri altında tek sıralı olmalıdır. Ben _G: 2 oranı: Ayrıca, iyi bir örnek minimal D zirve yoğunluğunu (minimal defekt bir işareti) ve en az 1 göstermelidir Ben Raman spektroskopisi altında tepe yoğunluğu oranını (tek tabaka bir işareti) _2D ^32.

Cihaz bir STM altında karakterize edilebilir önce, STM ucu mümkün olduğunca numunenin yüzey devletlerin STM ucu devletleri decouple bir Au ile ilgili (111) yüzeyi kalibre edilmelidir. Ucu kalibrasyonu olmadan, diferansiyel iletkenlik dl / dV spektrumu nedeniyle uç devletler ve numunenin yüzey devletler arasında güçlü bir bağlantı için dolambaçlı görünür: başka bir deyişle, bir kalibre edilmemiş ucundan alınan STM veri numunenin taşınmaz mal temsil etmeyebilir . Ucu kalibre etmek için, STM ucu tekrarlı darbelidir / Au (111) Surfac içine sokmakbalıksırtı yeniden (Şekil 4A) bir yüksek çözünürlüklü görüntü kadar e elde edilebilir ve bir dI / dV spektrum standardı Au (111) dI / dV spektrumu (Şekil 4B) karşılaştırılabilir görünmektedir. dl / dV spektrum V _numune ≈ -0.5 V, Au (111) yüzey devletin başlangıcını temsil keskin bir adım sergilemesi gerekir. Dahası, dI / dV spektrum grafen üzerinde dl / dV ölçümlerini yaparken eserler olarak görünebilir hiçbir anormal zirveleri ve dips, sergilemelidir.

Ucu kalibrasyonu sonra, numune yüzeyi STM ile incelenir. Şekil 5A grafen ve h-BN kafes sabitleri bir uyumsuzluğundan doğmaktadır grafen / h-BN, bir Moiré modelini göstermektedir. Daha küçük büküm açısı daha büyük dalga boyu: Moire deseni dalga boyu grafen ve altta yatan h-BN örgüleri arasındaki dönme açısına bağlıdır. Moiré patte Görünüm m bir h-BN alt tabaka üzerinde temiz grafen varlığını doğrulamaktadır. Örnek yüzeyi incelendiğinde sonra, Ca iyonları olan topografisi Şekil 5B'de gösterilmiştir Grafende üzerine yatırılır. Bir Moiré deseni resmin arka planda görünür. Bir kez şarj Ca atomu başarıyla STM ucu birden oluşan yapay çekirdeklerini oluşturmak küçük kümeler halinde her dimerini iterek Ca dimerleri tahsil edebilir, yatırılır. Tahsil Co ve Ca adatoms STM çalışmanın sonuçları Ref gösterilmektedir. 2 ve 3 ve Ref. Sırasıyla, 4,.

Si katman tel bağı yoluyla bir kapı elektroduna bağlanır ise Grafen örnek plakasına topraklanmış. Bir kapı ayarlanabilir grafen cihazın Şekil 1. Şematik. ^2-5 , bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 3. Bir grafen / h-BN / SiO ₂ heteroyapıların Öncesi STM karakterizasyonu. (A) grafen / h-BN / SiO ₂ heteroyapı. (B) Optik mikroskop görüntüsü Raman muhtegrafen / SiO ₂ bölgenin rom. Grafen Raman spektrumu (~ 1.350 cm ^-1) D, G (~ 1.580 ^cm-1) ile karakterize ve grafen 2D (~ 2.690 ^cm-1) zirveleri. ³² (C) Atomik kuvvet mikroskobu (AFM) görüntü olduğunu / h-BN / SiO ₂ bölgesi. Bu görüntü dokunarak mod AFM ile çekilen bir yükseklik haritasıdır. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Au Au Şekil 4. STM karakterizasyonu (111) STM ucu kalibrasyonu için yüzey. ³¹ (A) Topografya (111) yüzey. (B) Standart dl / Au dV spektrumu (111) yüzey. tıklayınız bir büyük görmek için Bu rakamın sürümü.

Grafen üzerinde Coulomb kirliliklerin Şekil 5. STM Topoğrafya. Grafen üzerinde grafen / h-BN. ^20,21 (B) Ca adatoms için (A) Moiré deseni. ^4. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

STM karakterizasyonu için, grafen cihaz imalat kritik hedefleri şunlardır: 1) kusurların az sayıda tek tabakalı grafen büyüyen, 2) büyük, temiz, muntazam ve sürekli grafen yüzey elde, 3) arasında yüksek dirençli bir grafen cihazı montaj grafen ve kapı (yani, hayır "kapı kaçak"), ve 4) bireysel Coulomb pislikleri yatırma.

ilk gol grafen bir Cu folyo üzerinde yetişen sırasında CVD işlemi, tarafından yönetilir. Birden fazla alt-tabaka aday (örneğin, Ni, Ru, ir, Pt, Co, Pd, vb), Cu de nedeniyle, son derece düşük karbon çözünürlüğüne çok seçici tek tabakalı grafen üretmek için bilinmektedir. ²⁵ Bununla birlikte, seçici olarak büyüyen tek tabakalı grafin olmasına rağmen Hala faktörler nedeniyle geniş bir yelpazede zor ve tutarsız olabilir. ^22-25 elektrokimyasal parlatma kesinlikle g için daha iyi bir substrat koşulu sağlamasına karşınraphene büyümesi, bizim AFM karakterizasyonu Cu yüzeyi mikroskopik düzeyde üniform olmayan ve kaba kalır göstermiştir. Ayrıca, kimyasal kalıntıdan kirlenme düzeyi folyo folyo arasında değişebilir. Tavlama parametreleri sürekli büyüme esnasında temiz ve düzgün bir Cu yüzeyi temin etmek için gereklidir. Hidrojen (~ 200 sccm) yüksek bir akış ile, erime noktası (1085 ° C) yakın yüksek sıcaklıkta (1050 ° C), Cu Tavlama büyük Cu etki ile sürekli olarak temiz ve düzgün bir yüzey elde etmek için Cu gibi. ²² büyüme sıcaklık, basınç rejimi, ve CH _4: kusurların en az bir sayıda tek-tabakalı grafin elde edilene kadar _H2 akış hızı oranı daha sonra sistematik olarak optimize edilebilir.

İkinci hedef - geniş, temiz, muntazam ve sürekli grafen yüzey elde - PMMA transferi ve Ar / _H2 tavlama tarafından yönetilir. Farklı grafen tran bir dizi olmasına rağmensfer yöntemleri (örneğin, kuru PMMA / PDMS transferi ²⁷ yaş PDMS transferi ²⁴ vb.), _FeCl3 (sulu) dağlayıcı solüsyonu ²⁸ PMMA transferi sürekli tekdüze / en Sürekli grafen yüzeyler vermiştir. Bununla birlikte, bu yöntem, graphene yüzeyi üzerinde bir kimyasal kalıntı bir yüksek yoğunluklu bırakır. Bu sorunu çözmek için, spin-kaplama hızı ve zaman ilk mümkün olduğunca tekdüze PMMA katman yapmak için optimize edilmiştir. Ayrıca, ultra saf su banyoları ile birden temizlik adımlar h-BN / SiO ₂ çip ile dışarı balıkçılık önce grafenin arka yüzeyinden kimyasal kalıntılarını temizlemek için tanıtıldı. Bir optik mikroskop ile görüldüğü gibi bu çabaları, nispeten temiz numuneler, sürekli devredilmiştir. Her zaman PMMA ince bir tabaka bırakır olarak PMMA aktarma yöntemi yok varyasyon, ancak tamamen grafen yüzeyini temizlemek. STM çalışmaları ve temiz bölgeleri gerektiren (bir atomik temiz bir yüzey elde etmek için# 62; 100 nm ^2), tavlama bir dizi işlem yapılması gerekir. Ar / _H2 tavlama etkin bir PMMA tabakasının çoğunluğu kaldırabilirsiniz. Ar / _H2 tavlama sonra, ²⁹ grafen yüzeyi ortam AFM (Şekil 3) ile denetimi altında temiz görünüyor. Oysa, ortam AFM tarafından belirlenemeyen ince bir tabaka PMMA hala kaldırmak için daha yerinde UHV tavlama gerektiren grafen yüzeyini kapsar. Post-devret tavlama yalnızca görece kalıntı içermeyen yüzeyi temizlemek olduğunu akılda tutmak önemlidir; bir numunenin nihai temizlik ağırlıklı transferi bağlıdır.

üçüncü gol - herhangi bir kapı sızıntı olmadan grafen cihazı montaj - post-Ar / _H2 tavlama adımlarla tarafından yönetilir. Bir örnek plaka üzerinde cihazı monte ederken elektriksel safir gevreği ile numune plaka geri kalanından cihazı kesmek için, bu önemlidir; t arasındaki tek elektrik kontağıo plaka örnek ve cihaz tel bağları olmalıdır. Tel yapıştırma aşırı güç kapısı kaçak yol açabilir (bakılmaksızın ne kadar küçük) SiO ₂ katmandaki kırığı herhangi bir biçimde olarak verilir, cihazı kırılması riskini getirmektedir. Tel yapıştırma parametreleri ve böylece vaktinden optimize edilmelidir. Kapı kaçak cihazda değil, aynı zamanda STM odasına boyunca sadece oluşabilir, çünkü zaman ve kaynak büyük miktarda tanımlamak ve kaçak kaynağını düzeltmek için heba olabilir. Bir grafen cihazı montaj sırasında kapı sızıntı riskini en aza indirmek için önemlidir.

Dördüncü hedef - Bireysel Coulomb kirleri yatırma - birikimi öncesinde kalibrasyon adımlarla tarafından yönetilir. Bu kontrollü bir tevdi edilmesi için UHV test odasına bırakma parametreleri (ve buna ek olarak yerinde Cu (100), yüzey üzerinde) optimize etmek için zorunludur. Çökelme saflığı dikkatlice rastgele impu çünkü RGA ile değerlendirilmesi gerekenkıymet QCM ile ölçülen yerleştirme oranı eğri, aynı zamanda, istenmeyen katkılama neden olur sadece. Cihaz geri dönüşümsüz bilinmeyen safsızlık tarafından katkılı olsaydı, Coulomb kirlilikler için grafenin tepkisi istenmeyen bir değişmiş olabilir.

Bu zorluklara ek olarak, bir STM çalışması çeşitli şekillerde sınırlı olabilir. Bir diferansiyel iletkenlik ölçümünde, tamamen örnek devletlerden ucu elektronik devletleri decouple mümkün değildir. Hatta iyi kalibre ucu, bir spektroskopik özelliği kaynağını belirlemek için zor olabilir. Ayrıca, bilgi UHV (10 ^-10 Torr) ve T = 4 yürütülen ölçümlerde elde edilen K az ideal şartlarda çalıştırılan cihazlara uygun olmayabilir.

Söyleniyor, STM diğer tekniklere göre birçok avantajı vardır. Bu yüksek enerji çözünürlüğü (az meV) ama aynı zamanda bir yüksek uzaysal çözünürlüğü (~ 10:00) sadece sahiptir. Karşılaştırma için, Arpes nispeten düşük uzaysal r vardıresolution (sub-mikron), ancak karşılaştırılabilir enerji çözünürlüğü (birkaç meV). STM ayrıca yeni şarj yapılandırmaları oluşturmak için bir aygıt üzerinde tek tek atomların konumunu değiştirmek için de kullanılabilir. Örneğin, Yang bir STM ucu ile arka kapı grafen cihazda şarj Ca dimerleri yapay çekirdeklerini oluşturulur ve grafen yüzeyinde bir atom çökme durumu karakterize. ⁴ Akılda bu avantajları ile STM en güçlü biri ark. Ise et ve iyi kontrol edilen bir ortamda çeşitli düzensizliklerin için grafen uzamsal bağlı bir cevap karakterize etmek için önemli teknik.

Coulomb kirlilikler tevdi kapı ayarlanabilir grafen cihazlarının STM çalışmaları temel teorileri test etmek için değil, aynı zamanda melez grafen cihaz uygulamaları anlamak için sadece değerlidir. Bunlar deneysel önemli ölçüde farklı Beha sergileyen yeni sistemlerde kütlesiz Dirac fermiyonların, davranışları hakkında temel tahminler doğrulayabilirsinizVIOR geleneksel sistemlerde taşıyıcı ücret karşılaştırıldığında. ^15-18 Ayrıca, bu tür çalışmalar göreli rejimlerde yük taşıyıcıların daha derin bir anlayışa yol açan grafenin en beklenmedik özelliklerinden ^4, bazı ortaya çıkarabilir. Grafen sistemleri hibrit grafen cihazlarının özelliklerinin hassas ayar için çok yararlı olacak yöneten fizik yasaları içine yeni bir fikir. ^2-5

Authors have nothing to disclose.

Araştırmamız hiçbir sözleşme kapsamında Müdürü, Fen Dairesi, Enerji sp2 Programı US Department of Energy Temel Bilimler Dairesi tarafından desteklenmiştir. DE-AC02-05CH11231 (STM enstrümantasyon geliştirme ve cihaz entegrasyonu); Donanma Araştırma (cihaz karakterizasyonu) Ofisi, ve NSF ödül yok. CMMI-1235361 (dl / dV görüntüleme). STM veriler analiz ve WSxM yazılımı kullanılarak hale getirildi. ³³ DW ve AJB Milli Savunma Bilimi ve Mühendisliği Yüksek Lisans Bursu (NDSEG) Programı aracılığıyla Savunma Bakanlığı (DoD), 32 CFR 168A tarafından desteklenmiştir.