Изготовление гетероструктур ван дер Вааля с точным ротационным выравниванием
Summary
В этой работе мы описываем технику, которая используется для создания новых кристаллов (гетероструктур ван дер Ваальса) путем укладки ультратонких слоистых 2D материалов с точным контролем над положением и относительной ориентацией.
Abstract
В этой работе мы описываем технику создания новых кристаллов (гетероструктур ван дер Ваальса) путем укладки различных ультратонких слоистых 2D материалов. Мы демонстрируем не только боковой контроль, но и, что немаловажно, контроль над угловым выравниванием смежных слоев. Ядро техники представлено домашней передачей, которая позволяет пользователю контролировать положение отдельных кристаллов, участвующих в передаче. Это достигается с суб-микрометра (перевод) и суб-степени (угловой) точности. Перед укладкой их вместе, изолированные кристаллы индивидуально манипулируются специально разработанные этапы перемещения, которые контролируются запрограммированным интерфейсом программного обеспечения. Кроме того, поскольку вся настройка передачи контролируется компьютером, пользователь может удаленно создавать точные гетероструктуры, не вступая в непосредственный контакт с установкой передачи, помечая этот метод как “без рук”. В дополнение к представлению передачи настройки, мы также описать два метода для подготовки кристаллов, которые впоследствии укладываются.
Introduction
Исследования в растущей области двумерных (2D) материалов начались после того, какисследователи разработали методику, которая позволила изоляцию графена 1,2,3 (атомарно плоский лист атомов углерода) от Графит. Графен является членом большего класса слоистых 2D материалов, также называемых ван дер Ваальс материалов или кристаллов. Они имеют сильные ковалентные внутрислойные связи и слабые ван дер Ваальс interlayer связи. Таким образом, метод изоляции графена из графита также может быть применен к другим 2D материалам, где можно разорвать слабые межслойные связи и изолировать одиночные слои. Одним из ключевых событий в этой области была демонстрация того, что так же, как ван дер Ваальс облигаций проведения смежных слоев двумерных материалов вместе могут быть сломаны, они также могут быть возвращены вместе2,4. Таким образом, кристаллы 2D материалов могут быть созданы путем управляемого укладки вместе слоев 2D материалов с различными свойствами. Это вызвало большой интерес, так как материалы, ранее несуществующие в природе,могут быть созданы с целью либо раскрытия ранее недоступных физических явлений 4,5,6,7 ,8,9 или разработка превосходных устройств для применения технологий. Поэтому наличие точного контроля над укладкой 2D материалов стало одной из главных целей в области исследований10,11,12.
В частности, угол поворота между соседними слоями в гетероструктурах ван дер Ваальса был показан важным параметром для контроля свойств материала13. Например, под некоторыми углами введение относительного поворота между соседними слоями может эффективно отделить два слоя. Это было изучено как в графене14,15, а также в переходных металлических дихалкогенидов16,17,18,19. Совсем недавно было удивительно установлено, что он также может изменить состояние материи этих материалов. Открытие, что двухслойный графен, ориентированный под «волшебным углом», ведет себя как изолятор Mott при низких температурах и даже сверхпроводник, когда плотность электронов правильно настроена, вызвало большой интерес и осознание важности углового управления при изготовлении слоистых гетероструктур ван дер Ваальса13,20,21.
Мотивированные научными возможностями, открываемыми идеей настройки свойств новых материалов van der Waals путем корректировки относительной ориентации между слоями, мы представляем самодельный инструмент вместе с процедурой создания таких структур с угловым управлением.
Protocol
Representative Results
Discussion
Домашняя установка передачи представленная здесь предлагает метод для здания новых многослойных материалов с обоими боковыми и вращательными управлениями. По сравнению с другими решениями, описанными в литературе10,25, наша система не требует сложной ин…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы признают финансирование из Университета Оттавы и NSERC Discovery грант RGPIN-2016-06717 и NSERC SPG КК2DM.
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).
