石墨烯中晶体结构检测方案(扫描探针)

Park Atomic Force MicroscopyApplication note #10 材料与方法 www.parksystems.cn By Dr. Ardavan Zandiatashbar， Ph.D.， Park Systems Inc.， Santa Clara， California. 利用原子力显微镜的非接触模式对石石烯/HBN异质结的莫尔图案进行自动且非破坏性地表征 Gate Graphene hBN substrate 晶格失配产生的莫尔超晶格图案 石墨烯因其独特的带隙结构可用于高迁移率半导体器件，吸引了研究人员广泛的注意。然而，由于缺乏合适的衬底，实现这种基于石墨烯的高性能器件牛直具有挑战性。最近有研究人员发现可以通过在六方氮化硼(hBN)上外延生长石墨烯的方法来解决这个问题[1，2]。hBN具有和石墨烯高度相似的六方晶格结构，是一种合适的石墨烯衬底。莫尔图案是由于石墨烯与hBN晶格之间存在2%左右的失配而产生的超晶格，其具有周期性，晶格常数比这两种材料的晶格常数大两个数量级[3]。 扫描探针显微镜(SPM)是表征莫尔图案的关键技术。与任何其他显微技术相比，SPM可以提供最高的Z轴分辨率[41。这是用于验证通过外延生长技术制备的石墨烯/hBN器件成功与否的基本要素。然而，SPM一直面临着如下两个问题的挑战：复杂参数优化让入的研究者(甚至是专家)都有一个陡峭的学习曲线以及高分辨率成像所使用的专用针尖的高成本。此外，SPM的摩擦模式会导致针尖与样品之间存在机械接触，使得在表征石墨烯/hBN器件时对样品表面产 石墨烯在基本晶体管设计中的应用图 生破坏。几乎所有关于莫尔图案表征的研究都使用破坏性SPM模式[1，2，3]。 非接触模式原子力显微镜(AFM)是一种自80年代末开始使用的非破坏性的SPM技术[5]。为实现非接触模式成像，针尖与样品之间的距离必须严格精确控制。这是一个挑战，也是这项技术最初的局限性之一。但通过研发，该技术在过去十年已经达到成熟，现在Park系统公司可以提供标准的AFM成像模式。在本文中，由Park 系统公司开发的自动非接触模式AFM成像技术解决了莫尔图案简单无损的SPM表征的需要。该产品的商业名称是SmartScanTM自动模式。在此之前，表征莫尔模型的SPM技术一直因其价格昂贵、对样品具有破坏性、耗时而困扰着研究者。现在，有了这种新的解决方案，研究人员可以轻松可靠地对制造的石墨烯器件进行质量控制。 非接触模式成像是通过调制悬臂的振动幅值，其频率略高于 悬臂在空气中的共振频率(远离样品表面)。当针尖接近样品表面时，针尖-样品之间的相互作用为引力，当针尖-样品之间处于这个状态时，非接触模式开始工作成像。悬臂振荡的相位在吸引态为负，在排斥态为正。通过进一步减少针尖-样品的距离，相互作用切换到排斥状态(动态或轻敲模式)。针尖-样本分离与振幅变化的函数曲线如图1所示，在下文中称为“A-d曲线”当振荡中的悬臂接近样品时，由于尖端样品之间的相互作用力，振幅逐渐减小。但随着针尖的继续下降，悬臂的振幅大小会突然有一个微弱的增加。幅值的轻微跳变与相位从负到正的变化有关。这表明尖端-样本的相互作用从吸引状态转变为到排斥状态。 换句话说，悬臂从非接触模式切换到轻敲模式。随着尖端继续接近表面，幅值接近零。此时如果缓慢抬起悬臂，让针尖-样品之间的距离变大，两者之间的相互作用又会发生跳变，从排斥态转变为吸引态，但相比较之前，针尖与样品之间的距离变大。 如果成像时悬臂振幅比第二跳点(第一跳点)大(小)，则成像模式为非接触(敲击)模式，且此时针尖-样品之前的相互作用保持吸引(排斥)状态。如果成像时振幅值在第一跳和第二跳之间，针尖与样品之间的相互作用将是不稳定的，并且在吸引态和排斥态之间切换，这对于成像来说是不可取的。在此条件下，反馈系统变得双稳态。 图3AFM悬臂振荡幅值(上)和相位(下)与针尖-样品距离(d)的关系，即通过恒定Z轴驱动功率实现的A-d曲线。红线表示针尖接近样品表面时的反应，蓝线表示针尖从样品表面离开时的反应。(图像由纳米科学许可使用)[7] SmartScanTM自动模式 SmartScanTM是Park系统为研究AFM的操作系统而开发的 新操作软件。自动模式是SmartScanT提供的主要发明之 一，用于测量。将尖端和样品放在指定位置之后，进行两个 自动化的步骤：定位和成像。在定位过程中，系统通过检测 针尖与样品之间的相互作用来确定样品表面的位置。 在这个步骤中，尖端以0.5mm/s的速率接近样品表面以找到样品表面。虽然这是一种相当快速的接近速度，但尖端不会与样品表面发生物理接触。相反，针尖与样品之前的相互吸引对悬臂产生的振幅变化可用于表征样品表面形貌，这让针尖的锐度以及样品的原貌都得以保持。完成表面探测之后，针尖将会升到一个安全距离(大概200um)以确保在移动时不会让尖端与样品发生物理接触，研究者可以通过光学显微镜定位特定区域。 在样品表面位置已知的情况下，光学显微镜可以进行自动聚焦。故当研究者找到特定区域之后，成像的步骤开始。在成像过程中，无需真空条件，振动频率、指定振幅、反馈控制参数以及扫描速率都会根据期望的图像质量自动优化。用户仅需要指定扫描图像的尺寸、扫描线的数量以及期望的图像质量即可。如上所述，最关键的是要精确的分离尖端与样品以保持尖端与样品之间的相互作用为吸引态。基于图1中所示的A-d曲线， SmartScanTM自动模式可以精确的确定尖端与样品的分离程度。 在hBN上外延生长石墨烯 在此研究中，hBN样品是以硅(具有300nm厚的SiO2层)作为衬底通过机械剥离的方法从BN晶体中解理得到，石墨烯是通过CVD外延生长而得。更多信息请参考Yang等人的工作[1]。 本次采用标准的非接触模式AFM硅探针来探测石墨烯/hBN样品，这个探针标称尖端半径为7nm，力常量为42N/m。通过软件分析，选取针尖共振频率为316 KHz。根据之前所述，先通过自动化软件检测到样品表面，然后通过光学显微镜和自动成像找到需要探测的区域进行探测。用500nm、250nm和125nm方形尺寸进行区域扫描形成图像。扫描可先选择大尺寸低放大倍数的，然后再选择小尺寸高放大率的。如图2.a为石墨烯/hBN样品在非接触模式下的AFM图像，从图中可以清楚的辨别出外延生长石墨烯的超晶格结构呈现六角 图2.新开发的SmartScanTM自动模式，可以自动进行样品表面检测和成像，并且用户交互最少。在左侧显示了包括“定位”和“图像”的主要按钮。上图为软件以非接触模式收集150nm图像的石墨烯/hBN样品时拍摄的屏幕截图。用户只需选择扫描尺寸、图像分辨率和质量/扫描速率。 图案。通过对AFM图像进行快速的傅里叶变化(FFT)以以进一步确认其六角图案，如图2.a的插图所示。在500nm图像中可以观察到第二层的附加晶粒，通过选择500nm图像的线轮廓可用于表征第二层晶粒的高度，如图2.b所示，测量发现第二层晶粒的高度为3.8A左右。此外，在第二层晶粒上也可以同样看到莫尔图案。 莫尔超晶格通过其中的250nm图像来进行表征，如图3所示。快速傅里叶变换(FFT)用于消除多余信号，使其更容易表征图案。测量得到的结果显示莫尔图案的晶格常数约为15nm，与模拟得到的14nm左右相一致，这个数值比石墨烯以头及hBN的晶格常数大了两个数量级[3]。红线绿线都是用于表示超晶格的轴线，用于测量任意方向的周期性，测量表明每条线的峰谷值都低于0.7A。空间上所有的莫尔图案的连续性表明成功实现了在hBN上外延生长石墨烯，且石墨烯的生长hBN与层数无关，如图2所示。莫尔图案的形成是石墨烯和hBN的晶格常数之间约2%失配的结果。具作者所知， 至今为止尚未实现在非接触模式对外延石墨烯的莫尔图案进行成像。由于样品易碎(石墨烯和hBN之间的低摩擦)，要求样品与尖端之间的相互作用能达到最小化，以保证在表征的过程中不会改变样品本征形貌，且不允许样品与针尖存在物理接触、成像过程能在大气环境下无需真空。 因此，非接触模式成像，作为优良表征技术，起到了表征在hBN或者其他二维材料上外延生长石墨烯制造的器件的关键作用。此外，非接触模式可以保护针尖，即可以降低在针尖上的开销，一个尖锐的针尖可以帮助研究者探测到高质量的图像且提高的测量的可重复性。尽管非接触式模式成像找到正确的针尖与样本之间的距离具有挑战性并且可能在很大程度上取决于用户的经验，但使用自动化软件可以在最少的用户交互下执行测量。并且这种测量模式提高了实验的可重复性、测量的高效性。 本次测量采用的是标准的非接触式探头(PPP-NCHR)，而不是用于高分辨率成像所需的特殊针尖或者超尖端针尖。非接触模式采用的是针尖与样品之间的范德瓦尔斯力来对莫尔超晶格结构进行成像，这种成像模式分辨率高，且具有可重 复性。值得一提的是，莫尔图案晶格常数(15nm)大约是标称尖端半径(7nm)的两倍，这有利于降低基于外延生长石墨烯制造的潜在器件的表征成本。 结论 最近研发的自动化的AFM操作系统可以用非接触模式成像来表征在hBN衬底上外延生长石墨烯形成的莫尔超晶格结构，使用的探针为标称尖端半径为7nm的标准硅探针。通过表征可以发现莫尔超晶格结构的晶格常量约为15nm与模拟值相近。这种最新研发的自动化AFM可以让用户在很少的经验下也能获得高分辨率的测量图像，且这种操作系统可以提高实验的可重复性、测量的高效性。因此，自动化的非接触模式成像是表征通过外延生长制备的器件(如基于石墨烯/hBN的器件)并不破坏样品表面的有效技术。 ( 鸣谢 ) ( 感谢 斯 坦福大 学 的 DavidG o ldhaber - Gordon和Patr i c kGa lla g her 以及中国 科 学院 的张光宇 提 供石 墨烯 / hB N样 品 和 富 有成果 的 讨论。 ) ( 参 考 文献 ) ( [ 1 ] W. Yang ， G . Chen， Z. S hi， C. - C . L i u，L . Zhang，G. Xie， M . Cheng， D . W a ng，R. Yan g ， D. Shi ， K.Watan abe ， T . T an ig uchi ， Y. Y ao， Y . Zh ang and G . Zh a n g， " E p i taxi a l gr owt h ofsin g le - domai n gra p hene onhexagonal boron ni trid e，" N ature M ateria ls ， v ol. 12， p p . 7 92- 7 97， 2 013. ) 图3.a)具有500nm，250nm和125nm扫描尺寸的石墨烯-hBN样品的非接触模式图像(未经过处理)，插图表示经过傅里叶变换后的图像。 b)500nm图像中虚线的部分的高度变化图。 图4.对250nm尺寸的图像进行快速的傅里叶变化(FFT)来表征莫尔超晶格，红线与绿线所表征的地方在右侧显示出来。 For more information， please visit： www.parksystems.cn 3040 Olcott St. Santa， Clara CA 95054 inquiry@parksystems.com +1408-986-1110 Park Systems Enabling Nanoscale Advances 本次采用标准的非接触模式AFM硅探针来探测石墨烯/hBN样品，这个探针标称尖端半径为7nm，力常量为42N/m。通过软件分析，选取针尖共振频率为316 KHz。根据之前所述，先通过自动化软件检测到样品表面，然后通过光学显微镜和自动成像找到需要探测的区域进行探测。用500nm、250nm和125nm方形尺寸进行区域扫描形成图像。扫描可先选择大尺寸低放大倍数的，然后再选择小尺寸高放大率的。如图2.a为石墨烯/hBN样品在非接触模式下的AFM图像，从图中可以清楚的辨别出外延生长石墨烯的超晶格结构呈现六角图案。通过对AFM图像进行快速的傅里叶变化（FFT）可以进一步确认其六角图案，如图2.a的插图所示。在500nm图像中可以观察到第二层的附加晶粒，通过选择500nm图像的线轮廓可用于表征第二层晶粒的高度，如图2.b所示，测量发现第二层晶粒的高度为3.8Å左右。此外，在第二层晶粒上也可以同样看到莫尔图案。