Fabrication de van der Waals Hétérostructures avec alignement de rotation précis
Summary
Dans ce travail, nous décrivons une technique qui est utilisée pour créer de nouveaux cristaux (hétérostructures van der Waals) en empilant des matériaux 2D superposés ultraminces avec un contrôle précis sur la position et l’orientation relative.
Abstract
Dans ce travail, nous décrivons une technique pour créer de nouveaux cristaux (les hétérostructures van der Waals) en empilant des matériaux 2D superposés ultraminces distincts. Nous démontrons non seulement le contrôle latéral mais, important, également le contrôle sur l’alignement angulaire des couches adjacentes. Le cœur de la technique est représenté par une configuration de transfert maison qui permet à l’utilisateur de contrôler la position des cristaux individuels impliqués dans le transfert. Ceci est réalisé avec une précision sous-micrométrique (traductionnelle) et sous-degré (angulaire). Avant de les empiler ensemble, les cristaux isolés sont manipulés individuellement par des étapes mobiles conçues sur mesure qui sont contrôlées par une interface logicielle programmée. En outre, puisque l’ensemble de la configuration de transfert est contrôlé par ordinateur, l’utilisateur peut créer à distance des hétérostructures précises sans entrer en contact direct avec la configuration de transfert, étiquetant cette technique comme «mains libres». En plus de présenter la configuration de transfert, nous décrivons également deux techniques pour préparer les cristaux qui sont ensuite empilés.
Introduction
La recherche dans le domaine naissant des matériaux bidimensionnels (2D) a commencé après que les chercheurs ont développé une technique qui a permis l’isolement du graphène1,2,3 (une feuille atomiquement plate d’atomes de carbone) de graphite. Le graphène fait partie d’une plus grande classe de matériaux 2D superposés, aussi appelés matériaux ou cristaux van der Waals. Ils ont fort covalent liaison intracouche et faible van der Waals couplage intercouches. Par conséquent, la technique pour isoler le graphène du graphite peut également être appliquée à d’autres matériaux 2D où l’on peut briser les liaisons intercouches faibles et isoler les couches simples. Un développement clé dans le domaine a été la démonstration que tout comme les liens van der Waals tenant des couches adjacentes de matériaux bidimensionnels ensemble peuvent être brisés, ils peuvent également être remis ensemble2,4. Par conséquent, des cristaux de matériaux 2D peuvent être créés en empilant de manière contrôlable des couches de matériaux 2D avec des propriétés distinctes. Cela a suscité beaucoup d’intérêt, car des matériaux auparavant inexistants dans la nature peuvent être créés dans le but de découvrir des phénomènes physiques autrefois inaccessibles4,5,6,6 ,8,9 ou le développement d’appareils de qualité supérieure pour des applications technologiques. Par conséquent, avoir un contrôle précis sur l’empilement des matériaux 2D est devenu l’un des principaux objectifs dans le domaine de la recherche10,11,12.
En particulier, l’angle de torsion entre les couches adjacentes dans les hétérostructures van der Waals s’est avéré être un paramètre important pour contrôler les propriétés des matériaux13. Par exemple, à certains angles, l’introduction d’une torsion relative entre les couches adjacentes peut effectivement découpler électroniquement les deux couches. Ceci a été étudié à la fois dans le graphène14,15 ainsi que dans la transition métal dichalcogenides16,17,18,19. Plus récemment, il a été étonnamment constaté qu’il peut également modifier l’état de la matière de ces matériaux. La découverte que le graphène bicouche orienté à un «angle magique» se comporte comme un isolant Mott à basse température et même un supraconducteur lorsque la densité d’électrons est correctement réglé a suscité un grand intérêt et une réalisation de l’importance de la lutte angulaire lors de la fabrication en couches van der Waals hétérostructures13,20,21.
Motivés par les opportunités scientifiques ouvertes par l’idée de régler les propriétés des nouveaux matériaux van der Waals en ajustant l’orientation relative entre les couches, nous présentons un instrument maison avec la procédure de création de telles structures avec un contrôle angulaire.
Protocol
Representative Results
Discussion
La configuration de transfert maison présentée ici offre une méthode pour construire de nouveaux matériaux superposés avec un contrôle latéral et rotationnel. Par rapport à d’autres solutions décrites dans la littérature10,25, notre système ne nécessite pas d’infrastructure complexe, mais il atteint l’objectif d’alignement contrôlé des cristaux 2D.
L’étape la plus critique dans la procédure est celle d’aligner et de pla…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Les auteurs reconnaissent le financement de l’Université d’Ottawa et du CRSN Discovery, qui accorde la subvention RGPIN-2016-06717 et le SPG QC2DM du CRSN.
Materials
| 5X objective lens | Nikon Metrology | MUE12050 | 23.5 mm working distance and 0.15 numerical aperture |
| 50X objective lens | Nikon Metrology | MUE21500 | 19 mm working distance and 0.4 numerical aperture |
| 100X objective lens | Nikon Metrology | MUE21900 | 4.5 mm working distance and 0.8 numerical aperture |
| Acetone | Sigma-Aldrich | 270725 | Purity ≥99.90% |
| Adhesive tape | Ultron Systems, Inc. | ||
| Anisole | MicroChem | ||
| Atomic force microscope | Bruker | Dimension Icon | We typicall use the ScanAsyst mode |
| Bottom stage rotation manipulator | Zaber Technologies | X-RSW60A-PTB2 | 360° travel with step size of 4.091 μrad |
| Bottom stage X manipulator | Zaber Technologies | X-LSM025A-PTB2 | 25 mm travel with step size of 47.625 nm |
| Bottom stage Y manipulator | Zaber Technologies | X-LSM025A-PTB2 | 25 mm travel with step size of 47.625 nm |
| Bottom stage Z manipulator | Zaber Technologies | X-VSR40A-KX14A | 40 mm travel with step size of 95.25 nm |
| Isopropanol | Sigma-Aldrich | 563935 | Purity 99.999% |
| LabVIEW software | National Instruments | ||
| Macor | McMaster-Carr | 8489K238 | |
| Microscope camera | Zeiss | 426555-0000-000 | 5 megapixel, 47 fps live frame rate, exposure time of 100 μs – 2 s, color camera |
| Molybdenum disulfide (MoS2) | HQ Graphene | ||
| Optical breadboard | Thorlabs, Inc. | MB4545/M | |
| Optical microscope | Nikon Metrology | LV150N | |
| Oxygen plasma etcher | Plasma Etch, Inc. | PE-50 | |
| PDMS stamp | Gel-Pak | PF-20-X4 | |
| PMMA 950 A6 | MichroChem Corp. | M230006 0500L1GL | |
| Polypropylene carbonate | Sigma-Aldrich | 389021-100g | |
| PVA Partall #10 | Composites Canada | ||
| Rhenium disulfide (ReS2) | HQ Graphene | ||
| Si/SiO2 substrate | Nova Electronics Materials | HS39626-OX | |
| Spin coater | Laurell Technologies | WS-650-23 | |
| Temperature controller | Auber Instruments | SYL-23X2-24 | Controls the temperature of the bottom stage via a J type thermocouple |
| Top stage controller unit | Mechonics | CF.030.0003 | |
| Top stage X manipulator | Mechonics | MS.030.1800 | 18 mm travel with step size of 11 nm |
| Top stage Y manipulator | Mechonics | MS.030.1800 | 18 mm travel with step size of 11 nm |
| Top stage Z manipulator | Mechonics | MS.030.3000 | 30 mm travel with step size of 11 nm |
| Ultrasonic bath | Elma Schmidbauer GmbH | Elmasonic P 30 H |
References
- Novoselov, K. S., et al. Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films. Science. 306 (5696), 666 (2004).
- Novoselov, K. S., et al. Two-dimensional atomic crystals. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 102 (30), 10451 (2005).
- Zhang, Y., Tan, Y. -. W., Stormer, H. L., Kim, P. Experimental observation of the quantum Hall effect and Berry's phase in graphene. Nature. 438, 201 (2005).
- Geim, A. K., Van Grigorieva, I. V. Van der Waals heterostructures. Nature. 499, 419 (2013).
- Song, J. C. W., Gabor, N. M. Electron quantum metamaterials in van der Waals heterostructures. Nature Nanotechnology. 13 (11), 986-993 (2018).
- Jin, C., et al. Ultrafast dynamics in van der Waals heterostructures. Nature Nanotechnology. 13 (11), 994-1003 (2018).
- Rivera, P., et al. Interlayer valley excitons in heterobilayers of transition metal dichalcogenides. Nature Nanotechnology. 13 (11), 1004-1015 (2018).
- Lu, C. -. P., et al. Local, global, and nonlinear screening in twisted double-layer graphene. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. , 201606278 (2016).
- Luican-Mayer, A., Li, G., Andrei, E. Y. Atomic scale characterization of mismatched graphene layers. Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena. 219, 92-98 (2017).
- Frisenda, R., et al. Recent progress in the assembly of nanodevices and van der Waals heterostructures by deterministic placement of 2D materials. Chemical Society Reviews. 47 (1), 53-68 (2018).
- Ribeiro-Palau, R., et al. Twistable electronics with dynamically rotatable heterostructures. Science. 361 (6403), 690-693 (2018).
- Kim, K., et al. van der Waals Heterostructures with High Accuracy Rotational Alignment. Nano Letters. 16 (3), 1989-1995 (2016).
- Cao, Y., et al. Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices. Nature. 556 (7699), 43 (2018).
- Luican, A., et al. Single-layer behavior and its breakdown in twisted graphene layers. Physical review letters. 106 (12), 126802 (2011).
- Li, G., et al. Observation of Van Hove singularities in twisted graphene layers. Nature Physics. 6 (2), 109 (2010).
- Castellanos-Gomez, A., van der Zant, H. S. J., Steele, G. A. Folded MoS2 layers with reduced interlayer coupling. Nano Research. 7 (4), 572-578 (2014).
- van der Zande, A. M., et al. Tailoring the Electronic Structure in Bilayer Molybdenum Disulfide via Interlayer Twist. Nano Letters. 14 (7), 3869-3875 (2014).
- Huang, S., et al. Probing the Interlayer Coupling of Twisted Bilayer MoS2 Using Photoluminescence Spectroscopy. Nano Letters. 14 (10), 5500-5508 (2014).
- Liu, K., et al. Evolution of interlayer coupling in twisted molybdenum disulfide bilayers. Nature Communications. 5, 4966 (2014).
- Cao, Y., et al. Correlated insulator behaviour at half-filling in magic-angle graphene superlattices. Nature. 556, 80 (2018).
- . Tuning superconductivity in twisted bilayer graphene Available from: https://arxiv.org/abs/1808.07865 (2018)
- Blake, P., et al. Making graphene visible. Applied Physics Letters. 91 (6), 063124 (2007).
- Lin, Y. -. C., et al. Single-Layer ReS2: Two-Dimensional Semiconductor with Tunable In-Plane Anisotropy. ACS Nano. 9 (11), 11249-11257 (2015).
- Chenet, D. A., et al. In-Plane Anisotropy in Mono- and Few-Layer ReS2 Probed by Raman Spectroscopy and Scanning Transmission Electron Microscopy. Nano Letters. 15 (9), 5667-5672 (2015).
- Masubuchi, S., et al. Autonomous robotic searching and assembly of two-dimensional crystals to build van der Waals superlattices. Nature Communications. 9 (1), 1413 (2018).
- Ling, X., Wang, H., Huang, S., Xia, F., Dresselhaus, M. S. The renaissance of black phosphorus. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 112 (15), 4523-4530 (2015).
- Huang, B., et al. Layer-dependent ferromagnetism in a van der Waals crystal down to the monolayer limit. Nature. 546, 270 (2017).
- Kim, H. H., et al. One Million Percent Tunnel Magnetoresistance in a Magnetic van der Waals Heterostructure. Nano Letters. 18 (8), 4885-4890 (2018).
