在真空下沉积在干净表面上吸附物的空间排列通常不能可逆地调整。 在这里，我们使用扫描隧道显微镜来证明沉积在石墨烯场效应晶体管 (FET) 上的分子表现出可逆的、电可调的表面浓度。 在 T = 4.5K 的石墨烯 FET 上实现了对带电 F₄TCNQ 分子表面浓度的连续栅极可调控制。 这种能力能够精确控制石墨烯器件的杂质掺杂，并且还提供了一种基于分子浓度的栅极依赖性确定分子能级排列的新方法。 可通过动态分子重排过程来解释栅极可调分子浓度，该过程通过保持器件基板中的费米能级钉扎来降低总电子能量。 分子表面浓度完全由器件背栅电压、其几何电容以及石墨烯狄拉克点与分子 LUMO 能级之间的能量差决定。
 
 
图 1. 控制石墨烯场效应晶体管 (FET) 上的分子浓度。  （a）表示在热蒸发到石墨烯 FET 后处于“生长”状态的 F4TCNQ 分子构型（红球）的草图。代表性电路显示了施加到器件上的偏置。  (b) 向 FET 施加 VG=VG-set 的背栅电压，同时流过石墨烯的源极-漏极电流 ISD 导致分子扩散到石墨烯表面。VG-set 的典型值范围为 -60 至 60 V。VSD 的典型值用于将分子浓度范围从 2 更改为 6 V，典型的 ISD 值范围为 0.5 至 2 mA。  (c) 当源漏电流关闭时，器件冷却，分子冻结在原地。 然后栅极电压 VGis 返回到 0 V，然后可以使用 VS = 2 V 的样本偏置（相对于尖端）和 2 pA 的电流设置点来稳定扫描分子。
 

图 2. 使用 FET 栅极电压调整分子浓度： (a-f) 石墨烯场效应晶体管表面相同区域的 STM 拓扑图，在该范围内使用不同的栅极设定电压值调整分子表面浓度后 −12 V < V_G-set< 60 V。(g) 作为 V_G-set 函数的测量分子浓度。对于向前和向后扫描没有观察到滞后现象。 虚线显示了理论数值。
 
 
图 3. F₄TCNQ 装饰的石墨烯场效应晶体管 (FET) 的 STM 光谱：(a) dI/dV_S在将 STM 尖端保持在 F₄TCNQ 分子正上方时测量，石墨烯表面的分子浓度为 0.8 × 1012cm^-2  FET (-60 V < V_G< -10 V)。标记了最低未占分子轨道 (EL) 的能量位置。插图显示了该分子浓度下表面的代表性图像。  (b) dI/dV_S 在将 STM 尖端保持在距离附近 F₄TCNQ 分子约 100 Å 的裸露石墨烯片上时测量的，在 (a) 中测量的表面条件相同（-60 V < V_G < 6 0 V，nM = 0.8 × 1012cm⁻²)。石墨烯狄拉克点能量 (ED) 已标记。光谱参数：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) 对于分子浓度 nM = 0.8 × 1012cm^-2，Dirac 点能量相对于分子 LUMO 能量 (ED-EL) 的栅极电压依赖性。 插图显示了石墨烯上 F₄TCNQ 分子在大负栅极电压（EF = 费米能量）上的电子结构的简化表示。
 
  
图 4. F₄TCNQ 掺杂石墨烯场效应晶体管 (FET) 的费米能​​级钉扎：(a) 用不同分子密度装饰的石墨烯 FET 表面的 STM 图像，用于测量 (b) 中所示的分子诱导费米能级钉扎。  (b) 对于 (a) 中所示的不同分子密度，通过 STS 在石墨烯 FET 表面上测量的狄拉克点能量 (E_D) 的栅极电压依赖性。E_D中的浓度依赖平台表明费米能级钉扎。
  
      相关科研成果由加州大学Michael F. Crommie等人于2021年发表在Nano Letter（https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c03039）上。原文：Imaging Reconfigurable Molecular Concentration on a Graphene Field-Effect Transistor。
 
转自《石墨烯研究》公众号