puntas de contacto cuanticas en´ heteroestructuras de grafeno encapsulado con...

FACULTAD DE CIENCIAS

DEPARTAMENTO DE FÍSICA FUNDAMENTAL

PUNTAS DE CONTACTO CUÁNTICAS EN

HETEROESTRUCTURAS DE GRAFENO

ENCAPSULADO CON PUERTAS DE GRAFITO

Autor:

Guillermo Gestoso Carbajo

Supervised by:

PROF. ENRIQUE DIEZ Dr. MARIO AMADO MONTERO

Creador de espacios

D. Enrique Diez Fernández y D. Mario Amado Montero CERTIFICAN que elpresente Trabajo de Fin de Grado, titulado PUNTAS DE CONTACTO CUÁNTICASEN HETEROESTRUCTURAS DE GRAFENO ENCAPSULADO CON PUERTAS

DE GRAFITO, ha sido realizado bajo su dirección por D. Guillermo Gestoso Carbajo.

En Salamanca, 4 de Julio de 2019

Fdo.: ENRIQUE DIEZ FERNANDEZ Fdo.: MARIO AMADO MONTERO

Índice general

Lista de figuras V

Lista de tablas VII

Resumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IX

Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XI

Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XII

1. Introducción y Antecedentes 3

1.1. Materiales 2D. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.1.1. Grafeno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.1.2. Nitruro de Boro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.1.3. TMDs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.2. Heteroestructuras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.3. Transporte magnético en nanodispositivos de grafeno. . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.3.1. Magneto transporte en grafeno monocapa. . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.3.2. hoal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2. Sistemas y Herramientas 9

2.1. Equipamiento de Caracterización. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.1.1. Microscopio Óptico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.1.2. Espectroscopia Raman . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.1.3. Perfilómetro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.2. Equipamiento para la fabricación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.2.1. Cinta adhesiva. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.2.2. ICP-RIE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

III

IV ÍNDICE GENERAL

2.2.3. Spin-coating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.2.4. RTP (AsOne 100) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.2.5. Mesa de transferencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.2.6. FE-SEM with Nanolithography Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.2.7. Evaporadora por haz de electrones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3. Fabricación del nanodispositivo. 19

3.1. Exfoliación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3.1.1. Exfoliación de Grafeno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3.1.2. Exfoliación de flakes nanométricos de h-BN . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.1.3. Caracterización de los copos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.2. Etching Rate. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.2.1. Etching Rate Grafito. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.2.2. Etching Rate h-BN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.3. Heteroestructura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.3.1. Transferencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3.3.2. Caracterización de la heteroestructura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.4. Dispositivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.4.1. Barra Hall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.4.2. Contactos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

4. Resultados & Conclusiones 35

Índice de figuras

1.1. En (a) tenemos la estructura honeycomb con sus vectores de red y en (b) la primera zona de Brillouin para grafeno monocapa, donde K y K’ son los puntos degenerados de las banda de enerǵıa.(Sergio Pezzini) 4

1.2. (a) Estructura del grafito,(b) estructura del grafeno, (c) Conos de Dirac en el grafeno y (d) estructura de bandas del grafeno (Γ-M-K- Γ). 5

1.3. En a) vemos la estructura de la red de h-BN y en b) una fotograf́ıa sobre los flakes de h-BN visto desde el micoscopio óptico. 5

1.4. Heteroestructura de B −G− B −GR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.1. En el centro de la imagen podemos ver un flake de un grosor estimado de 20 nm.Imagen obtenida del microscopio óptico con una resolución de 200 µm. 9

2.2. a) Podemos ver un flake de grosor 10 nm con sus respectivas medidas de tamaño, en b) se puede ver diferentes flakes entorno a nuestro flake y en c) el sistema que tenemos para tomar las coordenadas en el wafer del flake que se requiera. 10

2.3. Equipo de espectroscoṕıa Raman del USAL-Nanolab. . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.4. Perfilómetro utilizado en la Sala blanca. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.5. Vemos diferentes imágenes obtenidas en el perfilómetro donde podemos apreciar los grosores que tiene un flake y la homogeneidad de la superficie. En a) estamos midiendo el color amarillo del flake de la Figura 2.a y en b) tenemos la medida del color azul del mismo flake. 12

2.6. Los diferentes celos usados en la Sala blanca. En la parte superior P/N 1009R-60 Ultron Systems, en la parte inferior White ScotchTM tape. 13

2.7. 1.Aceite de unión térmica,2.Pipeta para esparcir el aceite,3.Wafer de Silicio donde depositamos 5,4.Pinzas para el manejo de 5 y 5.Wafer de SiO2 donde tenemos la muestra a atacar. 13

2.8. a)Vemos la pantalla principal del software donde vemos los valores de cada camara y el estado de la máquina, en b)podemos observar los valores de la receta final. 14

2.9. a) Vemos la muestra a la izquierda sin resina y a la derecha una muestra con resina donde apreciamos el color verdoso,b) tenemos el wafer cubierto de la resina donde apreciamos que el proceso ha sido correcto, ahora debemos ver la homogeneidad en el microscopio. 15

2.10. Resina depositada sobre un wafer de SiO observada con el microscopio. . . . . . 15

2.11. Sistema RTP en la sala blanca de la USAL. a) El sistema y b) donde se depositara el wafer para el Annealing. 16

2.12. Mesa de transferencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.13. Sistema de litograf́ıa de la USAL en la sala blanca. . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.14. e-beam evaporator en la Salablanca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3.1. Diferencia entre grafeno monocapa y bicapa, desde la espectroscoṕıa raman . . . 21

3.2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.3. Podemos apreciar esa primera aproximación del etching rate, aun que las imágenes no son de gran calidad. 23

3.4. Etching rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

V

VI ÍNDICE DE FIGURAS

3.5. Los flakes obtenidos para la construcción de la heterounión: a) el h-BN top de la estructura, b) el grafeno, se utiliza el que esta marcado, c) h-BN bottom, vemos que el color es diferente al top pues su grosor es mayor y d) tenemos el grafito que utilizaremos en el backgate del dispositivo 26

3.6. Esquema del proceso de transferencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.7. Primera transferencia. a) y b) h-BN top sobre el grafeno con los residuos del pegamento, en c) observamos la muestra limpiada. 27

3.8. Segunda transferencia, el h-BN bottom depositado sobre el grafeno. . . . . . . . 28

3.9. Heteroestructura montada en a) podemos ver los markers de los que hemos hablado, b) podemos diferencias los diferentes flakes superpuestos para la heteroestructura. 29

3.10. Raman heteroestructura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.11. Mapping de la heteroestructura. En a) podemos ver el mapping donde reconoce el grafito y el grafeno. En b) es la imagen de la heteroestructura donde queremos hacer la espectroscopia Raman. 30

3.12. Esquema del plano (CAD) que tenemos para el dispositivo, donde en la imagen pequeña tenemos definida la barra Hall y el contacto del backgate. 31

3.13. Barra Hall a) 1.Barra Hall y 2.Parche sobre el grafito para poner el contacto de puerta antes de hacer el etching. b),c) Como se ve despues del etching de ICP-RIE. 32

3.14. El resultado final del dispositivo a diferentes escalas en el microscopio óptico , pudiendo diferenciar las partes que nos interesa. En (c) podemos ver la base del contacto donde contactaremos las puntas para tomar las medidas. 33

3.15. Partes del dispositivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

4.1. Color del grafito ,observado en el microscopio óptico con la oblea de SiO2 utilizada en el laboratorio, en función de su grosor en nm donde 0 equivale al grafeno. 35

4.2. Esquema de la barra Hall que hemos utilizado en la sala blanca. . . . . . . . . . 37

Índice de cuadros

2.1. Parámetros de la receta utilizada para deposición de la resina ARP 6407. . . . 15

3.1. Tabla de los valores obtenidos en el proceso de etching rate, con los cual podemos crear una regresión lineal para la obtención del ratio de ataque. 23

3.2. Etching Recipe nr1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.3. Etching Recipe nr2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.4. h-BN Etching Recipe with SF6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.5. Valor del Etching rate del h-BN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.6. Flakes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

4.1. Receta para el grabado del grafito obtenida con el ICP-RIE proporcionado por la USAL-Nanolab. 36

4.2. Valor obtenido de la receta anterior. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

4.3. Tabla de funcionamiento de contactos. Si circula corriente ✓, no circula corriente ✗. 36

VII

VIII ÍNDICE DE CUADROS

Resumen

En el presente trabajo expondremos el proceso de fabricación de nanodispositivoselectrónicos basados en grafeno con puertas locales de grafito. En los últimos años, desde laśıntesis experimental del grafeno monocapa en 2004, los dispositivos electrónicos basados engrafeno poséıan puertas electrostáticas de óxido de silicion SiO2 amorfo al tratarse del substratoen el que se transfeŕıan de manera general las muestras y éste han podido llegar a limitar laspropiedades del transporte del grafeno debido a las cargas electrostáticas inherentes del mismo(defectos) y la diferencia en los parámetros de red con los materiales bidimensionales. Nosotrostransferiremos los dispositivos basados en grafeno sobre una puerta de grafito con el fin derealizar estructuras electronicas basadas en materiales 100% compatibles.

Antes de comenzar con el proceso experimental de la fabricación del dispositivo, al introduciruna innovación no usual en las publicaciones cient́ıficas como es la presencia de puertas degrafito, realizaremos un estudio teórico previo del mismo, su interacción con los otros materialesbidimensionales de la estructura, para su posterior uso como puerta de control en el dispositivo.

En la primera parte del trabajo de laboratorio, explicaremos los sistemas empleados en elproceso de fabricación de heteroestructuras y de su caracterización, los pasos necesarios parala utilización de estás máquinas y su funcionamiento.

En la parte final del trabajo expondremos todos los pasos para la fabricación del nuevoprototipo con puerta de grafito y su posterior caracterización eléctrica. Mostraremos las ventajasque proporciona este novedoso prototitpo, las herramientas necesarias y un el plan de trabajopaso a paso para la fabricación de estas heteroestructuras. Finalmente, analizaremos las medidasde transporte electrónico y expondremos las mejoras que proporciona el uso de de puertas degrafito frente a los dispositivos convencionales basados en óxido de silicio.

Palabaras Clave

Grafeno, Copo, Monocapa, Heterostructura, Nanodispositivo, Etching, Fuerza de Van derWaals, Oblea de SiO2/Si, Barra Hall, Poĺımero PPC-PDMS, Archivo CAD, Contacto de Borde.

IX

X RESUMEN

Abstract

En primer lugar, iremos viendo los pasos necesarios, las técnicas y los sistemas utilizadospara la fabricación de los dispositivos en la Sala Blanca (Cleanroom). Por otro lugar, veremoscomo la variación de los dispositivos t́ıpicos añadiendo un complemento extra: Backgatede grafito, podemos mejorar las cualidades y caracteŕısticas de estos dispositivos para unmejor funcionamiento en condiciones normales. Al final del trabajo, analizaremos los errorescometidos, como las posibles mejoras a la hora de la obtención , como lo que se esperaŕıa obtenercon este tipo de dispositivos.

Key Words

Graphene, Flake, Monolayer, Heterostructure, Nanodevice, Etching, Van der Waals force,SiO2/Si Wafer, Hall Bar, PPC-PDMS Polymer, CAD File, Edge Contact/Side Contact

XI

XII OBJETIVOS

Objetivos

Los prototipos basados en grafeno poseen mejores propiedades eléctricas que los dispositivoseléctricos comunes; basados en silicio y óxido de silicio puesto que el grafeno es mucho mejor queel silicio en eficiencia energética, conducción eléctrica y térmica y, al igual que el silicio, es baratoextraordinariamente abundante en la naturaleza. El mayor problema para la integración delgrafeno como paradigma tecnológico es que compite con una industria totalmente desarrolladade manera industrial puesto que tiene ya más de 60 años de existencia. Al ser una empresaaún no muy rentable, no se acaba de apostar por los dispositivos basados en grafeno debidoa la dificultad de implementar su producción en masa. Para resolver éste problema, se estánestudiando numerosas mejoras y prototipos para encontrar estructuras basadas en grafeno queno sólo tengan propiedades únicas pero que se puedan usar a gran escala industrial y llegar acomercializar.

Los dispositivos basados en estructuras bidimensionales con el mejor rendimiento entérminos de conductividad eléctrica que encontramos son los formados por heteroestructurasde nitruro de boro hexagonal (h-BN) y grafeno con la siguiente estructura h-BN.Grafeno.h-BNsobre substratos dieléctricos, siendo prácticamente en su totalidad el óxido de silicio, SiO2. Lacombinación de h-BN con grafeno surgió de la necesidad de obtener la máxima conductividadeléctrica en la capa conductora (grafeno) que estaba limitado en terminos de dopaje intŕınsecoy de mobilidad por el contacto directo que tenia con el SiO2. Aun introduciendo una capaaislante entre el grafeno y el óxido de silicio, no ha sido posible desacoplar totalmente el efectoque el substrato tiene sobre el material bidimensionalpuesto que la presencia de defectos y dedopantes en el SiO2. provoca que no se pueda llegar al nivel máximo de movilidad que el grafenoseŕıa capaz de alcanzar.

Un camino para mejorar las capacidades de los dispositivos basados en grafeno, campo deestudio de una gran part de la comunidad cient́ıfica, es el uso un substrato diferente al SiO2por otro que sea mucho más compatible con los materiales bidimensionales, eliminando laslimitaciones que presenta, sin perder la funcionalidad de los mismos. Nuestra aportación eneste TFG consistirá en mostrar como el uso de puertas locales de grafito en nanodispositivosbasados en grafeno [1] puede ser uno de los caminos a tomar para poder hacer rendir al máximoeste preciado material y para ello intentaremos medir la movilidad y el dopaje residual delgrafeno y poder comparar con valores que se encuentren en la literatura [2]. Estas puertaslocales, nos permiten sustituir el substrato común de SiO2 por un conductor con cualidadesmuy interesantes1: el grafito.

Hemos diseñado y creado nuevos prototipos con la implementación de la puerta de entrada(backgate) de grafito, donde hemos visto que se obtiene un mayor control en las puertas decontrol. Con esto, nuestros objetivos se centran en el estudio del grafito para la adaptación alas heteroestructuras normalmente utilizadas aportando una nueva forma de fabricación. Enprimer lugar, la exfoliación del grafito para su caracterización a posteriori. Caracterizamos losgrosores y sus colores asociados al grosor, para una mejor identificación, estudiamos su espectroRaman para tenerlo en cuenta a la hora de la heteroestructura estudiando la información queproporciona. En segundo lugar, proporcionamos las caracteŕısticas necesarias a la hora de lafabricación del dispositivo; construcción de una receta para el ataque seco (dry etching) delgrafito, necesario para la definición de los copos (flakes) a las formas deseadas y estudio detalladode la receta utilizada para el h-BN. El estudio de las fuerzas de Van der Waals sobre el grafito,el proceso de transferencia y como actúan estas fuerzas sobre el substrato común SiO2 o el

1http://poco.com/Portals/0/Literature/Semiconductor/IND-109441-0115.pdf

OBJETIVOS 1

h-BN , con los que permanecerá en contacto con la heteroestrucura. Por último, los problemascreados por el backgate de grafito a la hora de la litograf́ıa.

El trabajo es una gúıa completa, explicada paso a paso con los problemas, soluciones yventajas de la fabricación de nanodispositivos electrónicos basados en grafeno.

2 OBJETIVOS

Caṕıtulo 1

Introducción y Antecedentes

1.1. Materiales 2D.

El descubrimiento del grafeno [2], tuvo lugar en 2004 por los cient́ıficos Novoselov y Geimen la Universidad de Manchester, que obtuvieron el primer grafeno monocapa, mediante laexfoliación mecánica de grafito.Esto supuso una revolución en la f́ısica de los materiales, enbusca de nuevos materiales bidimensionales como el Nitruro de Boro o metales de transicióndichalcogenidos (TMDCs) , ya que poseen unas caracteŕısticas únicas que no poseen los demásmateriales 3D. Respecto a la tecnoloǵıa, el grafeno está demostrando la cantidad de aplicacionesque pueden tener como bateŕıas [3], aplicaciones térmicas como conductividad [4], lubricadores[5]... Como en la parte teórica, después de décadas este material confirmo teoŕıas del siglopasado como la ecuación de Dirac relativista en un sistema de materia condensada [6, 7],laparadoja de Klein en el grafeno(efecto túnel en el grafeno) [7], Modelo de Ising 2D [8],...

Nosotros nos centraremos en los dispositivos formados por grafeno y nitruro de boro, y susaplicaciones.

1.1.1. Grafeno

El grafeno es una capa de un único átomo de carbón en un orbital sp2-h́ıbrido con unaestructura hexagonal. La aproximación tight-binding para la red hexagonal panal de abeja delgrafeno fue calculada en 1947 por P.R.Wallace [9], que en 2004 fue obtenido experimentalmentepor Novoselov y Geim.

La configuración electrónica del átomo de Carbón es 1s22s22p2. Donde el orbital 1spermanece localizado cerca del núcleo; por lo cual se asume que no hay interacción, entonces noscentraremos en los niveles atómicos con número cuántico n=2. Como es un órbital h́ıbrido setiene que 2p=2px2py2pz, para calcular la estructura de bandas una buena base para la funciónde onda viene dado por los estados de Bloch con al forma

Φiν(~k,~r) =

1√N

∑

tm

ei~k ~tmφi(~r − ~dν − ~tm)

donde i=2s,2px,2py,2pz de los órbitales atómicos φi,ν=A,B que indican los dos átomos de lacelda unitaria (ver 1.1 (a)), ~tm=m1a1+m2a2 es el vector genérico de la red, ~k es el vector de

3

4 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN Y ANTECEDENTES

Figura 1.1: En (a) tenemos la estructura honeycomb con sus vectores dered y en (b) la primera zona de Brillouin para grafeno monocapa, dondeKy K’ son los puntos degenerados de las banda de enerǵıa.(Sergio Pezzini)

Bloch que vive en el espacio rećıproco, N es el número de celdas unitarias del cristal. Entoncesconsiderando solo vecinos próximos tenemos que el Hamiltoniano del cristal es

Hk = vFσ · p

donde vF es la velocidad de Fermi, que es la velocidad de los electrones en el grafeno (vF ≈c/300), p es el operador momento y σ = /σx, σy) son las primeras matrices de Pauli. Teniendoentonces los autovalores para las bandas de enerǵıa son

E± = ±vF~|q|

con esto, ya tenemos muy buena descripción del comportamiento del grafeno: susaproximaciones y ecuaciones básicas.

El grafeno es el mejor conductor de calor (la medida experimental de la conductividadtérmica de grafeno monocapa suspendido a temperatura de habitación es (4.84± 0.44)×103hasta /5.30 ± 0.48)×103 W/mK [10]) y el material más delgado, debido a su estructuraelectrónica de bandas. Es un semimetal , caracterizado por la inexistencia de gap, pues labanda de valencia y la banda de conducción del grafeno coinciden en el cono de Dirac en elnivel de Fermi (1.2(c)), esto resulta que los electrones en el nivel de Fermi se comporte comoFermiones sin masa de Dirac (massless Dirac Fermions) [7]. Descomponiendo el grafito en capas,hasta obtener una única capa conseguiŕıamos el grafeno monocapa. Existen varios métodospara la obtención de grafeno, pero en la que se obtiene una mejor calidad es la microexfoliaciónmecánica.

Ha sido estudiado desde su descubrimiento debido a sus propiedades tan particulares. Este,es más fuerte que el diamante siendo el material más duro hasta la fecha. Si se junta con otrosmateriales, este realza la fuerza de estos otros para usarse en múltiples aplicaciones como laaeroespacial y la ferroviaria de alta velocidad.

1.1. MATERIALES 2D. 5

Figura 1.2: (a) Estructura del grafito,(b) estructura del grafeno, (c)Conos de Dirac en el grafeno y (d) estructura de bandas del grafeno(Γ-M-K- Γ).

Además, las bandas de conducción y de valencia coinciden en el mismo punto como se veen la Fig.1.2 vemos que su estructura de bandas es un cono donde coinciden estas dos bandascon el nivel de Fermi, como resultado del comportamiento de los electrones como fermiones deDirac sin masa en el nivel de Fermi.

1.1.2. Nitruro de Boro y otros materiales 2D

El Nitruro de de Boro Hexagonal (h-BN ) es un cristal tridimensional con la misma estructuraque el grafito, es decir capas de grosor un átomo con una estructura de panal de abeja(Honeycomb), unido mediante fuerzas débiles de Van der Waals. Exfoliado de la misma formaque el grafeno.

(a) (b)

Figura 1.3: En a) vemos la estructura de la red de h-BN y en b) unafotograf́ıa sobre los flakes de h-BN visto desde el micoscopio óptico.


La gran diferencia que hay entre el grafeno y el h-BN es la estructura de bandas, ya queel h-BN es un dieléctrico (aislante eléctrico) con una fuerte estructura mientras que el grafitoes un semi-metal, lo cual proporciona diferentes propiedades y funcionalidades como dopaje,sustitución, funcionalización e hibridación [11].

En los últimos años, ha sido un material de gran interés, ya que es exótico gracias a suspropiedades opto-eléctricas junto con una gran robustez mecánica, estabilidad térmica e inerteqúımicamente [11]. Con un amplio campo de estudio para las aplicaciones de FETs, dispositivosde efecto túnel, detectores y emisores de UV, dispositivos fotoeléctricos y nanofiltros.

Los diacolgenuros de metales de transición semiconductores (TMDs) son otro tipo demateriales bidimensionales (2D) en auge de estudio para los nanodispositivos electrónicos conla intención de que sean controladores electrostáticos para los dispositivos. Los TMDs tambiénpueden ser materiales laminados (2D, conocidos también como like- graphene) tienen unafórmula qúımica MX2 donde M es un metal de transición y X es un calcógeno. Los TMDs puedenser metales, semimetales, semiconductores , aislantes topológicos o superconducotres [12,13] sonel futuro de los nanodispositivos electrónicos, la busca de estos materiales y sus funciones vienedebido a los problemas que tiene el SiO2 sobre el grafeno [13,19], que explicaremos en la siguientesección.

Los posibles candidatos TMDs son: MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2, WSe2, HfS2, GfSe2, ZrS2los cual necesitan un estudio de sus propiedades dieléctricas [14] para sus posibles aplicacionesen los dispositivos electrónicos.

1.2. Heteroestructuras

Cuando se apilan el grafeno (ya sea monocapa,bicapa o multicapa) con otros materiales 2Dtambién cristales multicapas, como el h-BN, son llamadas heteroestructuras: Finas montañascon diferentes capas de distintos materiales 1 unidos mediante una interación débil, las fuerzasde Van der Waals [15]. Cualquier combinación es posible, pero a nosotros nos interesa trabajarcon h-BN,grafeno y grafito como vemos a continuación

Figura 1.4: Heteroestructura de B −G−B −GR

Esta necesidad de encapsular el grafeno viene de mejorar la calidad de las muestras degrafeno para poder comprender y utilizar las excepcionales propiedades electrónicas de estematerial. En los inicios del grafeno, se depositaba sobre SiO2, el cual limitaba al grafeno por

1https://www.graphene.manchester.ac.uk/learn/graphene-and-2d-materials/

1.2. HETEROESTRUCTURAS 7

la dispersión (scattering) de estados cargados de superficie e impurezas [16], la rugosidad delSiO2 [17,18], como la limitación en la movilidad que producen los fonones ópticos de superficiedel SiO2 [19,20] y la temperatura de ambiente. Entonces, habia una necesidad de encontrar undieléctrico que pudiese evitar estos problemas y otorgando al grafeno desarrollar sus propiedadesal máximo(cita articulo). Ese aislante apareció :h-BN, el cual es muy interesante graćıas a sualto gap (5,97eV,gran aislante) [21] donde las propiedades dielectricas son parecidas a las delSiO2 pero sin pérdida de funcionalidad [22]. Además, los modos de los fonones ópticos delh-BN tienen enerǵıas mayores que modos similares en SiO2; por lo que nos proporcionaraun mayor rendimiento a temperatura de habitación(cita), lo cual el SiO2 nos limitaba lamovilidad entonces proporcionara mejores resultados a temperaturas ambientes proporcionandomás posibilidad de utilización comercial, y las grandes propiedades ópticas que proporciona [11]para el estudio de los THz.

Nosotros, con la implementación del backgate de grafito queremos mejorar estasheteroestructuras con un conductor como es el grafito para poder controlar la corriente depuerta de nuestra heteroestructura e ir mejorando todos los inconvenientes que tienen hasta elmomento.

Estos materiales 3D artificiales, construidos a partir de la unión de capas de materiales2D gracias a las fuerzas de Van der Waals , son de gran interés para la industria de latecnoloǵıa ya que pueden proporcionar grandes aplicaciones en un futuro que están en procesode investigación.

Caṕıtulo 2

Sistemas y Herramientas

2.1. Equipamiento de Caracterización.

2.1.1. Microscopio Óptico

Con el microscopio óptico hemos estado estudiando las muestras obtenidas de la exfolación,el cual nos permite medir los tamaños de los copos(flakes), localizarlos en el wafer y aproximarel grosor de los flakes por los colores. Veamos un ejemplo

Figura 2.1: En el centro de la imagen podemos ver un flake de ungrosor estimado de 20 nm.Imagen obtenida del microscopio óptico conuna resolución de 200 µm.

en la imagen podemos apreciar diferentes flakes de grafito de diferentes grosores (diferentescolores).

En nuestro caso, estamos buscando grafito de grosor 10−20 nm que tienen un color observadoen el microscopio azulado, como en el que vemos en la Figura2.1.

9

10 CAPÍTULO 2. SISTEMAS Y HERRAMIENTAS

(a) (b)

(c)

Figura 2.2: a) Podemos ver un flake de grosor 10 nm con sus respectivasmedidas de tamaño, en b) se puede ver diferentes flakes entorno a nuestroflake y en c) el sistema que tenemos para tomar las coordenadas en elwafer del flake que se requiera.

para la construcción de la backgate necesitamos flakes como el mostrado en la Figura 2.1.ade ese espesor y tamaño.

También hemos utilizado el microscopio para observar la homogeneidad de la resinadepositada sobre un wafer, mas adelante hablaremos de ello.

2.1.2. Espectroscopia Raman

El fenómeno que da nombre a esta técnica, es el efecto Raman que fue descrito por el f́ısicoC.V. Raman en 1928 [25], el cual le valió el premio Nobel en 1930.

Podŕıamos definirlo como:La Espectrocoṕıa Raman es una técnica fotónica de alta resoluciónque proporciona en pocos segundos información qúımica y estructural de casi cualquier materialo compuesto orgánico y/o inorgánico permitiendo su identificación. Nosotros, lo utilizaremoscon el fin de caracterizar los materiales que utilizamos en nuestra heteroestructura, ver su

2.1. EQUIPAMIENTO DE CARACTERIZACIÓN. 11

Figura 2.3: Equipo de espectroscoṕıa Raman del USAL-Nanolab.

calidad y los diferentes espectros que nos pueden mostrar, en nuestro caso es muy interesanteya que no hay apenas estudios de la espectroscopia raman en heteroestructuras con backgatede grafito. El que más nos interesa caracterizar es el grafeno, es la mejor forma de discernir ennuestro laboratorio si el grafeno es monocapa o multicapa.

Para obtener las medidas de la espectroscopia raman utilizaremos el sistema Micro RamanSpectrometer - LabRAM HR Evolution el que vemos en la figura2.3. Está equipado con 3láseres:

Ventus Solo laser at 532 nm with an output power of 100 mW

He-Ne laser at 633 nm with an output power of 17 mW

Diode laser at 770-795 nm with an output power 200 mW

Nosotros utilizaremos los objetivos de 50× y 100× para encontrar el material e incidir ellaser para observar sus vibraciones. El objetivo 100× produces puntos de láser de 1µm2 dedistancia focal. La luz incidente puede tener valores de atenuación de 0,01% de la potencia desalida.

2.1.3. Perfilómetro

El perfilómetro es un equipo que produce un registro continuo de la pendiente longitudinaldel pavimento entre dos puntos dados, y obtiene el desnivel de la superficie del pavimento conrespecto a una referencia horizontal.

Las medidas tomadas de los diferentes grosores de superficies de los materiales con los quequeremos trabajar utilizaremos el perfilómetro de DektakXT(R) stylus profiler surface

La pieza fundamental del perfilómetro es la aguja que contiene este, es una aguja de 6,5 µmla cual va ejerciendo presión continua sobre una superficie en la cual puede detectar cambiosde presión que muestra diferencias de alturas al recorrer la superficie mostrando la topograf́ıade la superficie en la pantalla del ordenador.

La funcion que utilizaremos para medir los grososres, una vez encendido el softwareseleccionamos -¿Standard Scan,6.5 mm y Valleys& Hills, las demás variables las dejamospredeterminadas. Con la cámara del perfilómetro buscamos nuestro flake hasta encontrarlo,dificultosamente ya que no tiene gran resolución, y una vez encontrado procedemos a su mediday obtenemos estudios topográficos del flake con esta forma


Figura 2.4: Perfilómetro utilizado en la Sala blanca.

(a) (b)

Figura 2.5: Vemos diferentes imágenes obtenidas en el perfilómetro dondepodemos apreciar los grosores que tiene un flake y la homogeneidad de lasuperficie. En a) estamos midiendo el color amarillo del flake de la Figura2.a y en b) tenemos la medida del color azul del mismo flake.

Con estas medidas , podemos determinar el grosor (thickness) de los flakes que queramoscaracterizar y determinar la homoegeidad,rugosidad de los flakes que queremos analizar.

2.2. Equipamiento para la fabricación.

2.2.1. Cinta adhesiva.

En el proceso de exfoliación hemos utilizado dos tipos diferentes de cinta adhesiva comovemos en la figura2.6, en función de lo que queŕıamos obtener utilizábamos una u otra.

White ScotchTM tape.

P/N 1009R-60 Ultron Systems

2.2. EQUIPAMIENTO PARA LA FABRICACIÓN. 13

Figura 2.6: Los diferentes celos usados en la Sala blanca. En la partesuperior P/N 1009R-60 Ultron Systems, en la parte inferior WhiteScotchTM tape.

2.2.2. ICP-RIE

Las siglas ICP-RIE son; Inductively Coupled Plasma – Reactive Ion Etching. De este sistemavamos a utilizar la parte RIE que es una tecnoloǵıa para el ataque de materiales(etching)utilizado en microfabricación. Este sistema lo vamos a utilizar para atacar los materiales conlos que trabajamos.

El RIE se utiliza para un ataque seco (dry etching) que tiene unas diferentes caracteŕısticasque el ataque húmedo (wet etching). Este funciona utilizando como base plasma reactivo paraatacar/eliminar el material que ha sido depositado en los wafers, que en nuestro caso es deSi. Este plasma es generado en presiones bajas (vació) y un campo electromagnético, los ionescon altas enerǵıas del plasma son los que atacan los wafer reaccionando con el material de unamanera u otra, dependiendo de los gases y flujos que utilicemos.

En este proceso, ya necesitamos tener bien caracterizado el flake con el perfilómetro paraver como afecta la receta de gases que utilicemos en el RIE.

Una vez caracterizado, utilizaremos las siguientes herramientas antes de depositar el waferen la cámara de la máquina

Figura 2.7: 1.Aceite de unión térmica,2.Pipeta para esparcir elaceite,3.Wafer de Silicio donde depositamos 5,4.Pinzas para el manejo de5 y 5.Wafer de SiO2 donde tenemos la muestra a atacar.


El wafer plateado es el de silicio donde depositaremos nuestro wafer de óxido de silicio conla muestra que queremos atacar, para unir estos wafers necesitamos el aceite que vemos en laimagen, para tener una unión térmica entre ambos, esparciremos muy poco aceite con la pipetasobre el wafer de silicio y depositaremos nuestra muestra con cuidado de no volcarlo sobre elaceite, ya que contaminaŕıa nuestra muestra y con ello quedaŕıa inutilizable.

Ya introducido el wafer en la cámara, nos dirigiremos hacia el software de la máquina dondedebemos crear y modificar los parámetros de nuestra receta, esta imagen se vera aśı

(a) (b)

Figura 2.8: a)Vemos la pantalla principal del software donde vemos losvalores de cada camara y el estado de la máquina, en b)podemos observarlos valores de la receta final.

teniendo el tiempo y todas las variables seleccionadas, ponemos en funcionamiento elsistema. Una vez acabado el proceso, procedemos a extraerla y ya tendŕıamos nuestra muestraatacada, ahora estudiamos los efectos que ha ocasionado el ataque.

2.2.3. Spin-coating

Este instrumento ha sido el menos utilizado hasta ahora, ya que solo lo hemos utilizado und́ıa por nosotros mismos en el que tuvimos problemas con el tipo de resina y la preparaciónpara la deposición, ya que si no tenemos un riguroso seguimiento de los pasos tendremos querepetir los procesos por contaminaciones de las muestras.

Para depositar la resina, necesitamos encender la cabina y sus respectivos devices. La cabinala separaremos en el hot-plate (cocina) y el spin-lab.

Cuando los wafer son de dimensiones pequeñas, menores que 1cm ×1 cm , necesitamosposarla sobre un cristal con un pegamento. Una vez adherida al cristal lo pondremos en lahot-plate a 100o durante un minuto, pasado este minuto cogemos la muestra adherida al cristaly la colocamos sobre el spin-lab, ahora en el software seleccionamos; Functions -> Vacum ,mientras se equilibra el valor de la presión depositamos sobre la muestra la resina con una pipetahasta cubrir toda la superficie, una vez hayan sido completado estos dos procesos cerramosla tapa y en el software seleccionamos ; Recipe ->Arp 6407 -> Start. Acabado este procesosolo tenemos que extraer la muestra y colocarla en el hot-plate durante diez minutos a unatemperatura de 160o y ya tendremos nuestra muestra.

La receta que utilizamos tiene los valores


Time Speed Acc60s 4000rpm 1000 rpm/s

Cuadro 2.1: Parámetros de la receta utilizada para deposición de la resinaARP 6407.

Vemos como el color ha cambiado , podemos apreciar un color verdoso sobre nuestro wafercomo vemos en la imagen

(a) (b)

Figura 2.9: a) Vemos la muestra a la izquierda sin resina y a la derechauna muestra con resina donde apreciamos el color verdoso,b) tenemosel wafer cubierto de la resina donde apreciamos que el proceso ha sidocorrecto, ahora debemos ver la homogeneidad en el microscopio.

Ahora, procedemos a inspeccionarlo en el microscopio si la resina se ha colocadohomogeneamente y no tiene burbujas en la zona de trabajo(nuestro flake), si sucediese que lasburbujas se produciesen cerca del flake tendriamos que limpiar la resina y volver a depositarlasobre el wafer. Ahora en el microscopio para ver la resina tenemos que poner el filtro y obtenemosesta imagen

Figura 2.10: Resina depositada sobre un wafer de SiO observada con elmicroscopio.

en este punto debemos ver la uniformidad que tiene la resina depositada, y como vemosimperfecciones en esta imagen la burbuja, si esta burbuja estuviese cerca de la muestra serepetiŕıa el proceso.


(a) (b)

Figura 2.11: Sistema RTP en la sala blanca de la USAL. a) El sistemay b) donde se depositara el wafer para el Annealing.

Una vez visto esto, nuestro propósito es atacar la muestra en el ICP-RIE con nuestra recetapara el wafer con resina para observar si nuestra receta ataca la resina y como la ataca, parasaber si nuestra receta es buena para la posterior creación del dispositivo.

2.2.4. RTP (AsOne 100)

Es un sistema que puede trabajar hasta una temperatura de 1410oC usando diferentesgases (Ar,O2,He,N2) y/o el vaćıo(10

−4Torr). Los posibles trabajos que se pueden hacer coneste sistema son:

Deposición de un film de dieléctrico (ej.SiO2)

CVD grafeno

Annealing (Horneado)

En la figura 2.11.b vemos la cámara donde depositaremos los wafers. Nosotros nos centraremosen el horneado (annealing), se utilizará para hacer una limpieza de la transferencia ya quepueden quedar residuos como se ven en la fig.11 del pegamento(PDME) utilizado para latransferencia , también en la fig11.c podemos observar que tiene burbujas y con este sistemapodremos eliminarlas en su mayoŕıa.

Trabajaremos a 380oC con una aceleración de 5oC/s en una atmósfera Argón con un sccmde 100 durante 15 minutos a una presión P ≥ 800mbar. Con este proceso conseguimos que losmetales se fundan y se adhieran entre śı, como la limpieza antes hablada.

2.2.5. Mesa de transferencia

La mesa de transferencia como podemos ver en las imágenes ,está dotada por un microscopioóptico con el que se facilita la deposición de estos, un brazo fijo el cual soporta el porta objetosanclado al banco óptico. En este mismo banco óptico, tenemos un banco milimétrico con elque podemos crear desplazamientos finos en los 4 ejes (x,y,z,Θ) para una buena precisión,


en este banco podemos apreciar en las imágenes la plataforma blanca donde se encuentrauna resistencia, para calentar nuestra muestra hasta una temperatura de 110oC por efectoJoule, conectado a un potenciómetro para variar la temperatura de la plataforma. Y todo estoconectado al sistema de vació para un mejor agarre de la muestra.

(a) (b) (c) (d) (e)

Figura 2.12: Mesa de transferencia.

2.2.6. FE-SEM with Nanolithography Controller

El proceso de litograf́ıa por haz de electrones tiene lugar usando un microscopio deescaner de electrones (Scanning Electron Microscope,SEM) FE-SEM SIGMA FROM ZEISScon un controlador de nanolitrograf́ıa como vemos en la figura 2.13. Este sistema contiene dosdetectores; In-Lens Secondary Electron detector y lateral Secondary Electron (SE) detector.Podemos trabajar con 4-ejes (x,y,z,θ) completamente motorizada la plataforma de rotacióndonde se deposita la muestra para el respectivo trabajo. Las aperturas del haz de trabajo tieneun rango de [7,5, 120]µ m y el máximo voltaje de aceleración de 15kV.

Figura 2.13: Sistema de litograf́ıa de la USAL en la sala blanca.

2.2.7. Evaporadora por haz de electrones.

Para la colocación de los contactos en los dispositivos es mediante la evaporadora dehaz de electrones (e-beam evaporator,see 2.14). Este sistema esta compuesto por dos cámarasindependientes e aisladas entre si, las cual podemos conectar usando una guillotina manualcomo se ve en la figura 2.14. La muestra se introduce (extrae) en la precámara mucho menorque que la principal y donde se obtiene el vaćıo más rápidamente y se encuentra localizada laguillotina, que suele tener unas presiones de (10−9 mbar) y mediante la guillotina la introducimos(extraemos) en la segunda cámara , la cual se encuentra en un alto vaćıo (10−9mbar), dondelas presiones son igualadas, una vez introducida (extraida) la muestra las cámaras se vuelves aaislar donde la cámara principal llega a un alto vaćıo. La evaporadora trabaja a unas presionesmuy bajas proporcionando un gran control en el ratio de evaporación (menos de 1 Å/s) creandouna fina capa homogenea sobre la muestra que queremos evaporar los metales.


(a) (b)

Figura 2.14: e-beam evaporator en la Salablanca

Los electrones son acelerados mediante un alto voltaje de 8kV controlando la dirección porun campo magnético al lugar donde se encuentra nuestra muestra a evaporar. Otro campomagnético de baja intensidad llamado ”XY Sweeping”(barrido XY) se utiliza para dirigir elhaz de electrones y difundir la enerǵıa para calentar la muestra de una manera uniforme. Porúltimo, se tiene que calentar en metal deseado a evaporar en un vaso como se ve en la 2.14.bdonde se convierte en estado gaseoso y se precipita como una fina capa sobre la muestra.

La evaporadora puede evaporar diferentes metales como (Au,Ti,Al,Cr,Co,Ni,Pt) comodiferentes dieléctricos (SiO2,Al2O3,HfO2).

Caṕıtulo 3

Fabricación del nanodispositivo.

3.1. Exfoliación.

El primer paso de la fabricación del dispositivo, es la obtención de los materialesbidimensionales de los que formaremos nuestra heteroestructura. Para dicha obtenciónrecurriremos al proceso de exfoliación mecánica que explicaremos a continuación, el cual nosinteresa para la obtención de los materiales bidimensionales de gran calidad. Además, esteproceso nos permitirá encontrar diferentes grosores (thickness) en nuestros copos(flakes) dematerial de una superficie aproximadamente 40x40µ m2 y con un grosor 1Å− 40 nm.

3.1.1. Exfoliación de Grafeno

Para la obtención de grafito de espesor 10 − 20nm utilizamos dentro de los métodos deexfoliación el llamado Top-Down; el cual consiste obtener grafeno (grafito en nuestro caso) abase de grafito.

Dentro de este método utilizamos la exfoliación micromecánica por via seca; este métodoconsiste en ir separando capas de HOPG(Highly oriented pyrolitic graphite) manualmente concinta adhesiva.Para ello depositamos flakes de grafito sobre cinta adhesiva, a continuacióndoblaremos la cinta por la parte adhesiva y despegamos hasta la posición inicial repitiendoeste proceso hasta extenderlo por toda la cinta, con este proceso de cizalla conseguiremosextraer capas de grafito hasta obtener una monocapa de grafeno.

Es el método por el cual Geim y Novoselov1 obtuvieron por primera vez láminas de grafenopor exfoliación mecánica.

Para obtener grafeno de alta calidad y evitar impurezas en este, debemos tratar el wafereliminando todas las impurezas que pueda tener este y que afecte lo menos posible a nuestrografeno.

1Para ver más diŕıjase a https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2010/summary/

19

https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2010/summary/

20 CAPÍTULO 3. FABRICACIÓN DEL NANODISPOSITIVO.

Tratamiento del wafer antes de la transferencia

En primer lugar, debemos cortar la oblea de óxido de silicio, SiO2 (Inseto Z14132) en formacuadrada para ello utilizamos una punta de diamante con la que marcamos los bordes de lazona que queremos obtener y luego con cuidado pasamos un rodillo de platico sobre la obleacubierta por un papel para evitar imperfecciones en esta.

Una vez obtenido nuestro wafer, vamos a proceder a una limpieza qúımica con acetona yetanol. Primero lo introducimos en acetona y metemos en beaker en el ultraclean (limpieza porultra sonidos) durante 2 minutos, ahora pasamos la muestra al beaker de etanol en el cual lomantendremos durante aproximadamente 2 minutos y procedemos a su secado con N2 gaseoso.

Por último, utilizamos el plasmacleaner para una limpieza perfecta del wafer,utilizaremosoxigeno como gas para producir el plasma, el cual limpiaremos durante 5 minutos con flujo deO2. Con esto, ya tenemos preparado el wafer para la transferencia.

Hasta el momento hemos utilizado dos técnicas distintas de exfoliación, habiéndonosdecantado por la última forma ya que hemos visto que podemos obtener flakes de mayor tamaño.

El primer método fue mediante la exfoliación de grafito con celo blanco comercial(diŕıjase a2.2.1), en el cual depositábamos unos flakes de grafito para a continuación proceder al procesode pegar y despegar el celo hasta llenar el trozo de celo de capas de grafito, ver como el celose apreciaba en su totalidad oscuro, para proceder a su transferencia a las obleas de óxido desilicio (wafer).

El segundo método utilizado, es con la cinta adhesiva azul (ScothcTM , diŕıjase a 2.2.1), paraeste proceso tenemos que cortar cuatro,cinco o seis partes iguales, en función del grosor quequeramos obtener(cuantas más capas, más fino el grosor del flake); En la primera depositamosun flake de grafito, el cual extendemos por toda la superficie de la primera parte, a continuaciónpegamos otra pieza del celo azul sobre la primera,presionando fuerte y eliminando las posiblesburbujas de aire, con un movimiento de cizalla despegamos rápidamente esta cinta paraadherirla a otra cinta repitiendo este proceso hasta la última parte. Una vez tenemos laúltima parte con las capas de grafito ya podemos transferirla en nuestro wafer de óxido desilicio, en nuestro caso estamos usando óxido de silicio dopado N. Una vez realizada la limpiezadepositaremos el wafer en la cinta y en el hot-plate a 100oC lo dejamos durante 1 minuto y ya lopodemos retirar teniendo nuestras muestras preparadas para caracterizarlas en el microscopioóptico.

3.1.2. Exfoliación de flakes nanométricos de h-BN

Para el proceso de exfoliación del h-BN, utilizaremos el mismo proceso que en el grafito yel mismo tratamiento del wafer.

En este obtenemos el h-BN ya exfoliado en una cinta adhesiva azul, a continuación enfunción del grosor que queremos, sea top o bottom, tendremos más repeticiones o menos delmecanismo de exfoliación con cinta adhesiva azul.

En general, buscaremos flakes de grosor en función de la posición que queramos obtener,tenemos:

h-BN top ≈ 30− 40 nm de grosor.

3.1. EXFOLIACIÓN. 21

Figura 3.1: Diferencia entre grafeno monocapa y bicapa, desde laespectroscoṕıa raman

h-BN bottom ≈ 50− 60 nm de grosor.

En este último, en el h-BN bottom tenemos una modificación con los dispositivos comunes,que suelen tener un grosor de ≈ 40− 50 nm , debido a la dificultad del grabado (etching) nosinteresa que este sea de más grosor para evitar grietas.

3.1.3. Caracterización de los copos.

Una vez depositado los flakes sobre el wafer, pasamos a caracterizarlos con los sistemasexplicados en la sección de equipamiento de caracterización. En primer lugar utilizaremos elmicroscopio óptico para encontrar que flakes nos interesan trabajar, para ello con ayuda delsoftware del microscopio podemos medir las superficies seleccionando las superficies de trabajomás adecuadas.

Una vez encontrado el tamaño de superficie deseado tanto en grafito,grafeno y h-BNprocedemos a la medición del grosor de estos flakes con el perfilómetro para el caso del grafitoy el h-BN, en el caso del grafeno utilizaremos la espectroscopia raman la cual nos proporcionasi es monocapa, bicapa o multicapa. En el primer dispositivo nos interesa obtener grafenomonocapa, como vemos en la figura3.1 es una imagen de la espectroscopia raman obtenidoen el Micro Raman Spectometrer- Lab Ram2.3,en la cual vemos la diferencia que tenemos enel pico de la derecha (pico 2G) comparado con el pico de la derecha de un flake de grafenomonocapa y uno bicapa. Con esto podemos caracterizar nuestros flakes exfoliados de grafeno.

Además, podemos hacer mapas de un mismo flake para ver las zonas donde es máshomogéneo, que es donde nos interesa trabajar y aśı tener un dispositivo de alta calidad.Como vemos en la figura3.2.b vemos la imagen del flake que queremos caracterizar, podemosobservar diferentes atenuaciones de color en el mismo flake, pero utilizando el microramanpodemos obtener donde tenemos monocapa, bicapa y multicapa como vemos en la 3.2.a . Estaherramienta nos proporciona mucha información sobre la calidad del grafeno y la homogeneidadde este, ya que son claves para un dispositivo de alta calidad.


(a) (b)

Figura 3.2

Como veremos más adelante, utilizaremos diferentes grosores en función del dispositivoy la parte del dispositivo para ver los posibles efectos que nos puede proporcionar en lasheteroestructuras las backgates de grafito.

3.2. Etching Rate.

Queremos saber el ratio de la disminución del grosor por unidad tiempo nm/min, paracuando tengamos el dispositivo saber cuanto tiempo tenemos que atacar la muestra.

Para ello, tendremos que utilizar consecutivamente el perfilómetro y el ICP-RIE hastaobtener una regresión lineal que describa el etching rate y conocer su valor. El primer pasosera medir el grosor del flake con el perfilómetro sabiendo como lo hemos medido para repetirsiempre la misma medida, una vez medido el siguiente paso será atacarlo en el ICP-RIE y acontinuación medirlo de nuevo con el perfilómetro, y aśı sucesivamente hasta conseguir bastantespuntos que describan la relación lineal entre el grosor y el tiempo.

3.2.1. Etching Rate Grafito.

Vamos a estudiar esta relación para el grafito, vamos a buscar recetas que nos permitanobtener un buen control sobre los ataques en el grafito.

En un principio, utilizamos una receta similar a la segunda 10sccm oxigeno y 30sccm Argóncon una presión de 90mTorr, esta receta no dio buenos resultados ya que nos proporcionabaunas superficies bastantes rugosas. Buscamos soluciones; leyendo literatura, preguntando a losdiseñadores de la maquina. Teniendo en cuenta todas las soluciones, pensamos que la más fácilera cambiar la presión ya que tener que cambiar gases implicaŕıa cambiar gran parte de lasfacilidades que tenemos, entonces bajamos la presión a 10mTorr y obtuvimos en un minutouna reducción de grosor de 9 nm medido en el perfilómetro como apreciamos en las imágenes

3.2. ETCHING RATE. 23

(a) Medida antes del ataque. (b) Medida después del ataque.

Figura 3.3: Podemos apreciar esa primera aproximación del etching rate,aun que las imágenes no son de gran calidad.

Para una mayor precisión en el etching rate, vamos a utilizar un wafer cubierta una partecon oro,ya que el oro es una buena máscara, para estudiar como se come el wafer la receta en elICP , sumando lo que se ha comido el grafito más el wafer obteniendo una medida más precisa.

Entonces, ya podemos empezar a preparar nuestro etching rate pero primero debemosdeterminar como afecta esta receta en la resina que vamos a depositar en adelante yexplicaremos a continuación.

Una vez visto que nuestra receta puede aguantar más de 2 minutos sin ser eliminada,podemos dar por valida esta receta y obtener un etching rate. Repetimos el proceso 4 vecesmás en el mismo flake de grafito,midiendo en el perfilómetro su grosor por 3 partes diferentesdel mismo flake para obtener mejores resultado y obtuvimos estos valores

Time(s) Left Thickness(nm) Center Thickness(nm) Right Thickness(nm)

0 46,66 45,20 43,2360 37,29 36,19 36,64120 26,67 26,82 25,70180 14,72 16, 35 14,33

Cuadro 3.1: Tabla de los valores obtenidos en el proceso de etching rate,con los cual podemos crear una regresión lineal para la obtención del ratiode ataque.

estos resultados los introducimos en un programa para tratar los datos y representarlos.Con esto ya tenemos determinado nuestro etching rate


0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

time (min)

10

20

30

40

50

Th

ickn

ess (

nm

)

Etching Rate left

yl= -10.646x + 47.304

r21=0.016

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

time (min)

15

20

25

30

35

40

45

50

Th

ickn

ess (

nm

)

Etching Rate center

yc= -9.589x + 45.522

r2c= 0.013

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

time (min)

10

15

20

25

30

35

40

45

Th

ickn

ess (

nm

)

Etching Rate right

yr= -9.762x + 44.618

r2r= 0.015

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

time (min)

10

20

30

40

50

Th

ickn

ess (

nm

)

Etching Rate average

ym

= -9.999x + 45.815

r2m

= 0.014

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Figura 3.4: Etching rate

por lo cual, podemos concluir que el etching rate de nuestra receta es de 10nm/min puesel valor de la media de estos valores como vemos en la figura 3.4 da un valor de 9, 99nm/min.

En la barra de color al lado de las gráficas, esta en micrómetros y muestra el color quepodemos apreciar en el grafito desde el microscopio en función de el grosor.

Las recetas utilizadas son:

Time (s) Gases (sscm) Forward Power (W) Chamber Pressure (mTorr)50 Oxigen 10 + Argon 30 40 80

Cuadro 3.2: Etching Recipe nr1


Cuadro 3.3: Etching Recipe nr2

3.2.2. Etching Rate h-BN

Como nuestras heteroestructuras el mayor grosor es debido al h-BN, debemos tener unareceta para poder hacer ataque a este material. Para ello procederemos de igual manera quepara el grafito, pero esa vez partiremos de una receta proporcionada por el técnico de la sala,la cual modificaremos a nuestro caso teniendo en cuenta que no afecte a la resina y ataque elgrafeno, esta receta es:

Time (s) Gases (sscm) Forward Power (W) Chamber Pressure (mTorr)10 SF6 40 75 6.0

Cuadro 3.4: h-BN Etching Recipe with SF6

3.3. HETEROESTRUCTURA 25

Comprobamos como afecta a la resina; hacemos un ataque en el ICP durante 2 minutos yobservamos que la resina permanece en nuestro wafer por lo que cumple la primera premisa. Acontinuación lo comprobaremos con el grafeno, introducimos el wafer con muestras de grafenoy grafito en el ICP durante 1 minuto, observamos que ha desaparecido el grafeno y el grafitoha sido atacado.

Entonces, cumplidas las dos premisas podemos comenzar hacer un etching rate sobre elh-BN del mismo modo que en el grafito. Los parámetros de la receta es la que observamos en elcuado3.4. A continuación introducimos un flake de grosor de 50 nm durante un tiempo t = 15s. Observamos en el perfilómetro que el grosor se ha reducido en 40 nm. Por lo que tenemosque el valor etching rate es

2, 67 nm/s

Cuadro 3.5: Valor del Etching rate del h-BN.

no hemos necesitado hacer el proceso como en la receta para el grafito, ya que esta recetaera conocida y solo hemos comprobado que era válida para nosotros y teńıa el valor estimadopor el técnico de la Sala blanca. Comparamos su resultado y era correcto, por lo cual podemoscontinuar.

Estas dos recetas (cuadro3.4 y cuadro3.3) son las que necesitaremos para dar forma a nuestrodispositivo como iremos viendo a lo largo de este escrito.

3.3. Heteroestructura

Para la obtención de la heteroestructura o heterounión como sale escrito en la literatura,necesitamos la exfolación de nuestros materiales bidimensionales. Nuestra heteroestructuraestará formada por un sandwich de grafeno con pan de h-BN el cual posaremos sobre unplato(back gate) de grafito.

Mediante el proceso de exfoliación mecánica ya explicado anteriormente, obtendremos losflakes, necesarios para nuestra heteroestructura, los cual caracterizaremos previamente en elperfilómetro. Tenemos para los grosores:

Thickness (nm)hBN top 25graphene monolayer

hBN bottom 35graphite 12

Cuadro 3.6: Flakes

y las imágenes obtenidas en el microscopio


(a) (b) (c) (d)

Figura 3.5: Los flakes obtenidos para la construcción de la heterounión:a) el h-BN top de la estructura, b) el grafeno, se utiliza el que estamarcado, c) h-BN bottom, vemos que el color es diferente al top puessu grosor es mayor y d) tenemos el grafito que utilizaremos en el backgatedel dispositivo

Una vez que ya tenemos todo localizado y caracterizado, procedemos a la unión de los flakespara crear el dispositivo.

3.3.1. Transferencia

Para la fabricación de la heteroestructura se necesita la unión de los flakes, el procedimientoque vamos a utilizar es la transferencia por acción de las fuerzas de Van der Waals, que sesolaparan creando una unión solida entre ellos.

Utilizaremos la mesa de transferencia Figura2.12también un portaobjetos que es el cristalque se puede ver en la figura2.12.d donde depositaremos un film (pegamento) que actúa sobre losflakes con fuerzas de Van der Waals pudiendo adherirlos y depositarlos en los lugares deseados.También se utilizara el sistema RTP (AsOne 100) para una limpieza más profunda.

En este punto de la heteroestructura, necesitamos de bastante tiempo y paciencia paraobtener unos buenos resultados. El proceso se separa en dos jornadas de trabajo, ya que senecesita una limpieza de mı́nimo 12 horas en acetona para retirar los residuos del film como paradebilitar las fuerzas de adherencia del substrato con la muestra. Adjuntamos una visualizacióngráfica del proceso de transferencia

En primer lugar, con la nanogrúa(plataforma que proporciona un movimiento en el eje-θque observamos en la 2.12) retiraremos el h-BN top del wafer en el que se encuentra: Para ellodepositamos el wafer en la plataforma, abrimos el vaćıo y dirigimos la nanogrúa al lugar en elque se encuentra. Hacemos contacto con el film sobre el wafer y encendemos el potenciómetroa 5V hasta llegar a una temperatura de 58oC. Una vez a esta temperatura, apagamos elpotenciómetro y retiramos la grúa donde se encuentra el flake y cerramos el vació.

Ahora, retiramos el wafer del h-BN top y colocamos en el que teńıamos el grafeno. Abrimosel vació y localizamos el flake de grafeno, ahora tenemos que tener gran precisión para alinearloscorrectamente. Una vez seguros que está bien alineado, posamos la grúa sobre el wafer yencendemos el potenciómetro a 9V y para depositar el h-BN sobre el grafeno debemos calentarhasta 110oC, ya en esta temperatura apagamos el potenciómetro ,cerramos el vaćıo y retiramosel wafer. Observamos en el microscopio que ha sido exitosa la transferencia y lo depositamosen acetona para limpiar los residuos, hacemos un horneado(anneling), para limpiar los posiblesresiduos y eliminar las burbujas creadas en el proceso, y lo volvemos a depositar sobre acetona.

3.3. HETEROESTRUCTURA 27

Figura 3.6: Esquema del proceso de transferencia.

(a) (b) (c)

Figura 3.7: Primera transferencia. a) y b) h-BN top sobre el grafenocon los residuos del pegamento, en c) observamos la muestra limpiada.

el primer paso de la transferencia esta terminado, se aprecia la deposición del h-BN sobreel grafeno.

En segundo lugar, tenemos que hacer el mismo proceso para el h-BN bottom para depositarlosobre el grafito que utilizaremos como backgate. Seguiremos el mismo procedimiento, primeroretiraremos el h-BN bottom y lo depositaremos encima del grafito, podemos observar elresultado final en la figura3.8.


Figura 3.8: Segunda transferencia, el h-BN bottom depositado sobre elgrafeno.

vemos como en este proceso, una parte del flake de grafito no se ha transferido, pero no esun problema ya que tenemos suficiente superficie para nuestro dispositivo.

Hacemos el mismo procesado final, horneado y deposición sobre acetona 12 horas comomı́nimo, para retirar los residuos provenientes de la transferencia, además de esta formalas fuerzas de adherencia de los flakes con el wafer se debilitan por acción de la acetona,facilitándonos el trabajo de transferencia. Por último lugar, ya tenemos todo preparado parala heteroestructura. Este momento es el más importante ya que si no quedan bien alineados setendŕıa que repetir todo el proceso de transferencia desde el principio.

En la segunda jornada, vamos hacer la heterounión, mismo procedimiento que las demástransferencias. Lo separaremos en dos pasos (steps): el primero sera transferir el h-BN bottomcon el grafito a un wafer con markers2, el proceso igual removemos el h-BN con el grafito a58oC y lo adherimos en este marker a una temperatura de 110oC. El segundo paso, sera cogerel h-BN top con el grafeno y transferirlo sobre la transferencia anterior en el wafer donde seencontraba, hasta que llegue a la temperatura de 110oC donde se unen los materiales. Conesto ya tenemos nuestra heteroestructura finalizada, ahora tendremos que que limpiarla conacetona, hacer un horneado y como último paso recortar el wafer en dimensiones de 5x5 mm2

para la creación del dispositivo y tener mas facilidad a la hora de tomar medidas.

Mostramos el resultado final de la heteroestructura en estas figura

2Un wafer con markers, es una oblea de óxido de silicio (SiO2) igual que para la exfoliación con la únicadiferencia que tiene marcas de oro para poder localizarlo y crear un sistema de coordenadas para la litograf́ıaque explicaremos más adelante.

3.4. DISPOSITIVO 29

(a) (b)

Figura 3.9: Heteroestructura montada en a) podemos ver los markersde los que hemos hablado, b) podemos diferencias los diferentes flakessuperpuestos para la heteroestructura.

podemos ver en la fig14.b las burbujas que se han producido en la transferencia, haciendoun horneado(annealing) podremos eliminarlas en su gran mayoŕıa.

Ya esta todo listo para preparar el dispositivo nanoelectrónico.

3.3.2. Caracterización de la heteroestructura.

Una vez montada la heteroestructura, debemos hacer una caracterización de ella. Para estose utiliza en primer lugar se utilizara el perfilómetro para medir el grosor que tenemos, paraluego poder definir el dispositivo con precisión.

A continuación, haremos un estudio del espectro Raman donde buscaremos regiones libresde impurezas ya que conocemos los espectros de los materiales con los que trabajamos,proporcionandonos las zonas libres de impurezas como vemos en la figura 3.10 donde tenemoslos picos del espectro de los 3 materiales correctamente colocados, indicándonos que enesa zona podemos definir el dispositivo. El mapping que vemos a continuación de nuestraheteroestructura, para ver donde tenemos el grafito y el grafeno en este caso y trabajar siemprecon seguridad de estar en la zona correcta, vemos los mapas obtenidos de la heteroestrcuturaa continuación

3.4. Dispositivo

Con la heterounión montada, ya solo nos queda hacer el dispositivo , es decir, definir labarra hall ,sobre la que estudiaremos el efecto hall cuántico (QH), colocar los contactos sobrelos extremos de la barra y el contacto sobre el backgate de grafito.

El descubrimiento del efecto Hall cuántico (Quantum Hall Effect,QHE) en gases deelectrones bidimensionales (2DEG) [24]. En el régimen cuántico de Hall (quantum Hall regime)laresistividad Hall (ρxy), medida como función del campo magnético o de la densidad de carga, seaprecian plateaus mientras la resisitividad longitudinal (ρxx) se desvanece, como consecuenciadel QHE [23].


Figura 3.10: Raman heteroestructura

(a) (b)

Figura 3.11: Mapping de la heteroestructura. En a) podemos ver elmapping donde reconoce el grafito y el grafeno. En b) es la imagen dela heteroestructura donde queremos hacer la espectroscopia Raman.

3.4. DISPOSITIVO 31

Figura 3.12: Esquema del plano (CAD) que tenemos para el dispositivo,donde en la imagen pequeña tenemos definida la barra Hall y el contactodel backgate.

Con esto, ya tendŕıamos nuestro dispositivo montado solo quedaŕıa tomar las medidas paraconcluir el estudio de si un backgate de grafito, las usuales son de óxido de silicio, mejora lascapacidades del nanodispositivo. Lo veremos con mayor profundidad en las conclusiones finalesdel trabajo.

Lo primero que haremos , sera definir la barra Hall en la heteroestructura con ayuda delE-Beam litographi y del ICP-RIE que ya explicamos su funcionamiento en el apartado ICP-RIE.

3.4.1. Barra Hall y contactos eléctricos metálicos de borde

La barra Hall es una buena forma de estudiar el QH sobre el grafeno, además que nospermite caracterizar el material por la resistencia de este, como explicaremos a continuación.Esta barra viene definida por 6 puntas, donde se colocaran los contactos a posteriori.

La barra Hall es una ingenieŕıa que se utiliza sobre los materiales para estudiar sucomportamiento en función de su resistencia. Ya que se puede sobre ella estudiar el Efecto HallCuántico (QHE) , y con esto obtener el pico de Dirac, este pico de Dirac es un primer estudiodel comportamiento del grafeno, ya que nos puede proporcionar la movilidad de portadores.Esta barra viene definida por 6 puntas, donde se colocaran los contactos a posteriori.

Para definir la barra Hall, precisaremos del FE-SEM para hacer la litograf́ıa sobre la resinaque depositamos sobre la muestra. Esta resina es positiva, es decir, donde incida el haz deelectrones se mantendrá la resina mientras que el otro área en el cual no ha sido incididomediante un revelado se eliminara. Para definir la barra, se tendrá que hacer un plano(CAD)de las dimensiones que queremos nuestra barra como vemos en la 3.12, donde en un principiodefinimos la barra Hall y el principio de los contactos, la posible continuación de los contactosya que seguramente, al tener el backgate de grafito estos contactos se tengan que modificar denuevo para evitar cortocircuitos.

Se introduce dentro de la máquina, y el técnico del sistema se encargara de su procesado.


Una vez acabado el procedimiento de litograf́ıa, ya tenemos definida la barra hall y un parchepara el contacto del grafito, aśı nos aseguraremos de no atacar el grafito y perder el contactode Backgate, como se ve en la 3.13.a desde el microscopio óptico y con la resina, donde ya estadefinida la barra Hall, el contacto y una pequeña área cuadrada donde está nuestra muestra,este área se define para tener una zona más limpia de impurezas y homogénea.

(a) (b) (c)

Figura 3.13: Barra Hall a) 1.Barra Hall y 2.Parche sobre el grafito paraponer el contacto de puerta antes de hacer el etching. b),c) Como se vedespues del etching de ICP-RIE.

El siguiente paso sera hacer un ataque en el ICP-RIE como fue explicado anteriormente,haciendo un etching de 12 segundos con la receta para el dispositivo que hablamos en el apartadode etching rate. Pasado los 12 segundos, metemos la muestra en acetona para limpiar los restosde resina y observamos en el microscopio obteniendo las imágenes de la figura3.13.b,c donde sepuede observar que ha sido exitoso los procedimientos.

Ahora procederemos a poner los contactos sobre la barra Hall y el backgate(grafito). Primerodefiniremos los contactos en el sistema E-Beam Liptography como vemos la figura3.12 los trozosverdes serán los que definamos ahora, hacemos el mismo proceso que para la barra Hall. Acontinuación, introducimos nuestro dispositivo dentro de la evaporadora (donde se indica enla fig.1), el técnico sera el encargado del proceso de evaporación de metales, usando la caja demandos, depositara 10 nm de Cr y 30 nm de Au sobre el dibujo de la figura3.12.

Una vez pasado el tiempo de evaporación, donde iremos observando como van evaporándose,los metales con protección para los ojos (emiten longitudes de onda dañinas), procederemos aextraer la muestra.

Una vez extráıda, debemos hacer un proceso de lift-off para quitar el Au/T i que no nosinteresa de la resina anteriormente depositada. Para ello, introduciremos la muestra en acetonaa temperatura ambiente, durante unos 3 minutos hasta que el Au/T i sea eliminado de nuestramuestra, para ayudar a eliminar restos más adheridos inyectaremos acetona desde el recipiente,aśı facilitando el proceso de eliminación de residuos metálicos sobrantes en nuestro dispositivo.

A continuación, mostramos el proceso final de nuestro dispositivo

3.4. DISPOSITIVO 33

(a) (b)

(c) (d)

Figura 3.14: El resultado final del dispositivo a diferentes escalas en elmicroscopio óptico , pudiendo diferenciar las partes que nos interesa. En(c) podemos ver la base del contacto donde contactaremos las puntas paratomar las medidas.

ya tenemos nuestro dispositivo preparado para medirlo y ver su funcionamiento. Acontinuación nombraremos las partes del dispositivo que vemos en las imágenes , ya que esdificil diferenciar las partes


Figura 3.15: Partes del dispositivo

en 3.15 tenemos:

1. Es el contacto sobre el Backgate de grafito.

2. Barra Hall del dispositivo.

3. Contactos (Side contacts) sobre la barra Hall contactando con el grafeno.

Una vez montado el dispositivo, ahora debemos almacenarlo en un lugar seguro, evitandosuciedad y oxigeno , ya que podŕıa oxidarse el grafeno y perder las propiedades que nos interesan,lo introduciremos en una caja que se introducirá en una capsula de vaćıo hasta el momento detomar medidas.

Caṕıtulo 4

Resultados & Conclusiones

Durante el tiempo del Trabajo de Final de Grado en la Sala Blanca hemos desarrolladovarias técnicas y procesos para la construcción de los prototipos encomendados. Nos hemosformado en la exfoliación de los materiales bidimensionales y su respectiva caracterizaciónfamiliarizándonos con los dichos.

Usar grafito en las heteroestructuras es novedoso, no hay información sobre suscaracteŕısticas, entonces hemos caracterizado el grafito con los instrumentos del laboratorioproporcionando más conocimiento para su posterior trabajo. La primera parte, hemos medidodiferentes grosores del material con el perfilómetro pudiendo caracterizar el grosor de los flakesde grafito en función del color aproximadamente , observados por el microscopio

Figura 4.1: Color del grafito ,observado en el microscopio óptico con laoblea de SiO2 utilizada en el laboratorio, en función de su grosor en nmdonde 0 equivale al grafeno.

ahora, una vez caracterizado los grosores y observado los tamaños que pod́ıamos obtenercon la exfoliación, hemos conseguido una receta para el ICP en la cual podemos atacar/grabar

35

36 CAPÍTULO 4. RESULTADOS & CONCLUSIONES

nuestro grafito con mucha precisión para poder trabajar con el grafito con precisión, la recetacon su etching rate es


Cuadro 4.1: Receta para el grabado del grafito obtenida con el ICP-RIEproporcionado por la USAL-Nanolab.

Etchin rate (nm/s)

9,9

Cuadro 4.2: Valor obtenido de la receta anterior.

estos son los valores obtenidos en el laboratorio de las caracteŕısticas del grafito para podermontar las heteroestructuras. Quedaŕıa determinar cual es el grosor más adecuado para nuestrosdispositivos que será el estudio que se prosiga.

Montado el dispositivo procederemos a tomar las medidas iniciales a temperatura ambiente(room temperature) para comprobar el funcionamiento correcto. Utilizaremos la mesa de puntas(Cascade M150) para medir los contactos que funcionan (circula corriente) en la barra Hall(figura 4.2).

Lo primero, sera hacer un esquema de la barra Hall como la figura que continua, numerandolos contactos. Seguidamente en una tabla, iremos tomando el chequeo de los contactos quefuncionan o no, como vemos en la tabla4.3. Empezamos el chequeo de los contactos, primeronecesitamos verificar que la máquina funciona correctamente, para ello utilizamos una pieza deoro donde colocaremos las puntas y veremos que marca el valor de la resistencia que hemospuesto en nuestro generador de corriente,esto es debido a que el oro es un conductor por loque no ”tenemos”pérdidas de corriente. Luego procedemos a introducir la muestra con muchocuidado y conectados a tierra, ya que una pequeña descarga de corriente podŕıa estropear lamuestra. Vamos contacto por contacto y anotando si funciona, y obtenemos la tabla:

Contactos Paso de Corriente1-2 ✓1-3 ✗1-4 ✗1-5 ✗1-6 ✗2-3 ✗

Cuadro 4.3: Tabla de funcionamiento de contactos. Si circula corriente✓, no circula corriente ✗.

Solo funciono un contacto, entonces tenemos que averiguar donde reside el problema. Elproblema al no haber corriente, tiene que ver con los contactos y el grafeno, las formas de verla localización de los problemas son con el SEM y la espectroscoṕıa Raman. Como la segundaes menos agresiva sobre el dispositivo, empezaremos por ah́ı.

37

Figura 4.2: Esquema de la barra Hall que hemos utilizado en la salablanca.

Utilizando el microRaman vemos que donde tenemos definida la barra Hall en nuestrodispositivo (figura 3.15) no tenemos superficie de grafeno solo en el contacto 1 − 2, esto esdebido a una mala alineación en los parámetros de las medidas de distancia tomadas desde elmicroscopio óptico, a la hora de definir la barra Hall en la litograf́ıa, en esto intervino que eltamaño del flake de grafeno era de dimensiones pequeñas.

En conclusión, al ser el primer prototipo con estas caracteŕısticas creado en España, a pesarde no haber conseguido medidas por los dispositivos ejecutados durante nuestro trabajo, unavez acabado los plazos de trabajo se ha obtenido en la Sala blanca de la USAL el primerprototipo de heteroestructura basada en grafeno con puertas locales de grafito que funcione loscontactos y se puedan obtener medidas. Este prototipo ahora esta en el proceso de mediciónen los instrumentos requeridos para ello.

El ser tan novedoso, ha sido el causante de tantos pasos en falso que hemos tenidoque solventar hasta la creación del primero que funcione. Los primeros pasos fueron en latransferencia , ya que el grafito cambiaba la técnica por completo y era dif́ıcil de ajustar a lazona de grafeno. Otro problema ha sido a la hora de grabar la barra Hall, teńıamos que tenercuidado de no pasarnos y dejar el grafito al aire produciendo un cortocircuito con los contactoso completamente lo contrario, no grabar lo suficiente y poner los contactos de borde sobre elnitruro de boro hexagonal sin proporcionar corriente al grafeno pus es un aislante, entonces eramuy necesario tener muy controlado el etchin rate y los grosor de la estructura para no tenerestos problemas.

Además, otro problema que surgió fue a la hora de la transferencia que aparećıan pequeñasgrietas en los copos de h-BN produciendo cortocircuitos de grafeno con grafito, una soluciónfue poner un copo de h-BN de mayor grosor ≈ 50− 60 nm aśı pudiendo solucionar también elproblema del grabado pero surgieron grietas. Una posible solución pero más costosa de tiempo

38 CAPÍTULO 4. RESULTADOS & CONCLUSIONES

seŕıa montar dos copos de h-BN que aisla el grafeno del substrato donde se deposita ( h-BNbottom) creando más posibilidad de aislante al grafito del grafeno, el problema que esto alargaŕıabastante el tiempo del proceso de transferencia.

Continuando con el trabajo realizado, se tendŕıa que empezar midiendo la muestra obtenidaque funciona y analizando los resultados obtenidos. El siguiente paso seŕıa estudiar todos lassoluciones que hemos obtenido para reducir la probabilidad de error en la fabricación. Ya todopreparado. El siguiente paso seŕıa estudiar las puertas locales de grafito en función de su grosor,para optimizar al máximo este dispositivo, mediante el estudio de las propiedades eléctricas delgrafito en función de su grosor nanométrico y ver el comportamiento que se obtiene con estosgrosores una vez montado el dispositivo.

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Lista de figurasLista de tablasResumenAbstractObjetivos

Introducción y AntecedentesMateriales 2D.GrafenoNitruro de BoroTMDs

HeteroestructurasTransporte magnético en nanodispositivos de grafeno.Magneto transporte en grafeno monocapa.hoal

Sistemas y HerramientasEquipamiento de Caracterización.Microscopio ÓpticoEspectroscopia RamanPerfilómetro

Equipamiento para la fabricación.Cinta adhesiva.ICP-RIESpin-coatingRTP (AsOne 100)Mesa de transferenciaFE-SEM with Nanolithography ControllerEvaporadora por haz de electrones.

Fabricación del nanodispositivo.Exfoliación.Exfoliación de GrafenoExfoliación de flakes nanométricos de h-BNCaracterización de los copos.

Etching Rate.Etching Rate Grafito.Etching Rate h-BN

HeteroestructuraTransferenciaCaracterización de la heteroestructura.

DispositivoBarra HallContactos

Resultados & Conclusiones

puntas de contacto cuanticas en´ heteroestructuras de grafeno encapsulado con...

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