[论文解读] Imaging reconfigurable molecular concentration on a graphene field-effect transistor

Franklin Liou, Hsin‐Zon Tsai+10 more|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2021

Graphene research and applications参考文献 25被引用 7

一句话总结

本研究通过电控分子重排，在石墨烯场效应晶体管上实现了可逆、栅压可调的F4TCNQ分子浓度。在4.5 K时，带电F4TCNQ分子的表面浓度与背栅电压呈线性关系，从而可精确、可重复地调控缺陷密度，并提供一种通过栅压依赖的吸附行为确定分子能级对齐的新方法。

ABSTRACT

The spatial arrangement of adsorbates deposited onto a clean surface in vacuum typically cannot be reversibly tuned. Here we use scanning tunneling microscopy to demonstrate that molecules deposited onto graphene field-effect transistors exhibit reversible, electrically-tunable surface concentration. Continuous gate-tunable control over the surface concentration of charged F4TCNQ molecules was achieved on a graphene FET at T = 4.5K. This capability enables precisely controlled impurity doping of graphene devices and also provides a new method for determining molecular energy level alignment based on the gate-dependence of molecular concentration. The gate-tunable molecular concentration can be explained by a dynamical molecular rearrangement process that reduces total electronic energy by maintaining Fermi level pinning in the device substrate. Molecular surface concentration in this case is fully determined by the device back-gate voltage, its geometric capacitance, and the energy difference between the graphene Dirac point and the molecular LUMO level.

研究动机与目标

• 实现对石墨烯上分子表面浓度的可逆、电控可调控制。
• 研究费米能级钉扎在驱动吸附分子机械重排中的作用。
• 开发一种利用栅压依赖的吸附物浓度定量确定分子能级对齐的方法。
• 建立石墨烯电子结构与表面吸附物几何排列之间的关联。

提出的方法

• 在室温下，于超高真空环境中对悬浮石墨烯/hBN FET进行F4TCNQ分子的亚单层沉积。
• 将器件冷却至4.5 K，以实现稳定的STM成像及在源漏电流（ISD）作用下的分子扩散。
• 施加设定的背栅电压（VG-set）并通入ISD以热驱动分子扩散，随后快速切断ISD以冻结特定分子浓度。
• 使用100 meV拼接协议的扫描隧道谱（STS），对dI/dV谱进行折叠处理，并校正65 meV声子间隙特征。
• 对校正后的dI/dV谱进行高斯拟合以提取狄拉克点能量（ED），随后施加65 meV的偏移量以确定真实的ED值。
• 利用背栅电压、几何电容与石墨烯狄拉克点和F4TCNQ LUMO之间能级差之间的关系对体系进行建模。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在石墨烯FET中通过栅压可逆调控石墨烯上分子的表面浓度？
• RQ2 F4TCNQ分子在石墨烯上栅压可调重排的物理机制是什么？
• RQ3 费米能级钉扎如何影响吸附分子的能量稳定性和空间分布？
• RQ4 能否利用栅压依赖的分子浓度定量确定分子能级对齐？
• RQ5 在受控条件下，分子浓度与背栅电压的线性依赖程度如何？

主要发现

• F4TCNQ分子在石墨烯FET上的表面浓度与背栅电压（VG-set）呈线性关系，在VG-set = 60 V时测得浓度为6 × 10¹² cm⁻²。
• 栅压可调的分子浓度在多次循环操作中表现出完全可逆且可重复的特性，经重复测量验证。
• 在对STS数据校正65 meV声子间隙后，成功提取出狄拉克点能量（ED），从而准确确定了石墨烯费米能级的位置。
• 分子浓度与栅压的线性依赖关系可通过一种动态重排过程解释：该过程在维持费米能级钉扎的同时最小化总电子能量。
• 该体系的行为可通过一个模型定量描述，该模型关联了背栅电压、几何电容与石墨烯狄拉克点和F4TCNQ LUMO之间的能级偏移。
• 该方法提供了一种新的、定量的分子能级测定技术，通过在不同栅压下计数分子，为分子电子学提供了校准工具。