在真空下沉積在干凈表面上吸附物的空間排列通常不能可逆地調(diào)整。 在這里，我們使用掃描隧道顯微鏡來證明沉積在石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 上的分子表現(xiàn)出可逆的、電可調(diào)的表面濃度。 在 T = 4.5K 的石墨烯 FET 上實(shí)現(xiàn)了對(duì)帶電 F
4TCNQ 分子表面濃度的連續(xù)柵極可調(diào)控制。 這種能力能夠精確控制石墨烯器件的雜質(zhì)摻雜，并且還提供了一種基于分子濃度的柵極依賴性確定分子能級(jí)排列的新方法。 可通過動(dòng)態(tài)分子重排過程來解釋柵極可調(diào)分子濃度，該過程通過保持器件基板中的費(fèi)米能級(jí)釘扎來降低總電子能量。 分子表面濃度完全由器件背柵電壓、其幾何電容以及石墨烯狄拉克點(diǎn)與分子 LUMO 能級(jí)之間的能量差決定。
圖 1. 控制石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 上的分子濃度。 （a）表示在熱蒸發(fā)到石墨烯 FET 后處于“生長(zhǎng)”狀態(tài)的 F4TCNQ 分子構(gòu)型（紅球）的草圖。代表性電路顯示了施加到器件上的偏置。 (b) 向 FET 施加 VG=VG-set 的背柵電壓，同時(shí)流過石墨烯的源極-漏極電流 ISD 導(dǎo)致分子擴(kuò)散到石墨烯表面。VG-set 的典型值范圍為 -60 至 60 V。VSD 的典型值用于將分子濃度范圍從 2 更改為 6 V，典型的 ISD 值范圍為 0.5 至 2 mA。 (c) 當(dāng)源漏電流關(guān)閉時(shí)，器件冷卻，分子凍結(jié)在原地。 然后柵極電壓 VGis 返回到 0 V，然后可以使用 VS = 2 V 的樣本偏置（相對(duì)于尖端）和 2 pA 的電流設(shè)置點(diǎn)來穩(wěn)定掃描分子。
圖 2. 使用 FET 柵極電壓調(diào)整分子濃度： (a-f) 石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管表面相同區(qū)域的 STM 拓?fù)鋱D，在該范圍內(nèi)使用不同的柵極設(shè)定電壓值調(diào)整分子表面濃度后 −12 V < V
G-set< 60 V。(g) 作為 V
G-set 函數(shù)的測(cè)量分子濃度。對(duì)于向前和向后掃描沒有觀察到滯后現(xiàn)象。 虛線顯示了理論數(shù)值。
圖 3. F
4TCNQ 裝飾的石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 的 STM 光譜：(a) dI/dV
S在將 STM 尖端保持在 F
4TCNQ 分子正上方時(shí)測(cè)量，石墨烯表面的分子濃度為 0.8 × 1012cm
-2 FET (-60 V < V
G< -10 V)。標(biāo)記了最低未占分子軌道 (EL) 的能量位置。插圖顯示了該分子濃度下表面的代表性圖像。 (b) dI/dV
S 在將 STM 尖端保持在距離附近 F
4TCNQ 分子約 100 Å 的裸露石墨烯片上時(shí)測(cè)量的，在 (a) 中測(cè)量的表面條件相同（-60 V < V
G < 6 0 V，nM = 0.8 × 1012cm
−2)。石墨烯狄拉克點(diǎn)能量 (ED) 已標(biāo)記。光譜參數(shù)：I
set-point= 50 pA，V
set-point= 1 V 在石墨烯上，I
set-point= 10 pA，V
set-point= 1 V 在分子上。 (c) 對(duì)于分子濃度 nM = 0.8 × 1012cm
-2，Dirac 點(diǎn)能量相對(duì)于分子 LUMO 能量 (ED-EL) 的柵極電壓依賴性。 插圖顯示了石墨烯上 F
4TCNQ 分子在大負(fù)柵極電壓（EF = 費(fèi)米能量）上的電子結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化表示。
圖 4. F
4TCNQ 摻雜石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 的費(fèi)米能??級(jí)釘扎：(a) 用不同分子密度裝飾的石墨烯 FET 表面的 STM 圖像，用于測(cè)量 (b) 中所示的分子誘導(dǎo)費(fèi)米能級(jí)釘扎。 (b) 對(duì)于 (a) 中所示的不同分子密度，通過 STS 在石墨烯 FET 表面上測(cè)量的狄拉克點(diǎn)能量 (E
D) 的柵極電壓依賴性。E
D中的濃度依賴平臺(tái)表明費(fèi)米能級(jí)釘扎。
相關(guān)科研成果由加州大學(xué)Michael F. Crommie等人于2021年發(fā)表在Nano Letter（https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c03039）上。原文：Imaging Reconfigurable Molecular Concentration on a Graphene Field-Effect Transistor。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
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