Hassas rotasyonel hizalama ile Van der Waals Heterostructures imalatı
Summary
Bu çalışmanın içinde, yeni kristaller (Van der Waals heterostructures) oluşturmak için kullanılan bir tekniği, pozisyon ve göreli oryantasyon üzerinde hassas kontrol sağlayan ultra ince katmanlı 2D malzemeleri istifleyerek tarif ediyoruz.
Abstract
Bu çalışmanın içinde, farklı Ultra ince katmanlı 2D materyalleri istifleyerek yeni kristaller (Van der Waals heterostructures) oluşturmak için bir teknik açıklanmaktadır. Biz sadece lateral kontrolü değil, daha da önemlisi, bitişik katmanların açısal hizalamasını da kontrol ediyoruz. Tekniğin çekirdeği, kullanıcının transferde yer alan bireysel kristallerin konumunu kontrol etmesini sağlayan bir ev yapılı transfer kurulumu ile temsil edilir. Bu alt mikrometre (translational) ve alt derece (açısal) hassasiyet ile elde edilir. Onları birlikte istiflemeden önce, izole kristaller, programlanmış bir yazılım arayüzü ile kontrol edilen özel tasarımlı hareketli aşamalar tarafından ayrı olarak yönetilmektedir. Ayrıca, tüm transfer kurulum bilgisayar kontrollü olduğundan, Kullanıcı uzaktan doğru heterostructure alanında çalışmaktadır transfer kurulum ile doğrudan temas olmadan, bu tekniği “Hands-Free” olarak etiketleme oluşturmak olabilir. Transfer kurma hizmeti sunmanın yanı sıra, daha sonra yığılmış kristalleri hazırlamak için iki tekniği de tarif ediyoruz.
Introduction
İki boyutlu (2D) malzemelerin gelişen alanında araştırma araştırmacılar grafen1,2,3 (bir atomically düz sac karbon atomları) yalıtım etkin bir teknik geliştirdi sonra başladı Grafit. Grafen, aynı zamanda Van der Waals malzeme veya kristaller olarak adlandırılan katmanlı 2D malzemelerin daha büyük bir sınıfın bir üyesidir. Onlar güçlü kovalent intralayer bağ ve zayıf Van der Waals interlayer bağlantı var. Bu nedenle, grafen grafen izolasyon tekniği de bir zayıf interlayer tahvil kırabilir ve tek katmanları izole diğer 2D malzemelere uygulanabilir. Alandaki bir anahtar geliştirme, aynı zamanda iki boyutlu malzemelerin bitişik katmanları tutan Van der Waals tahvil kırık olabilir, onlar da tekrar birlikte2,4koymak olabilir gösteri oldu. Bu nedenle, 2D malzemelerin kristalleri, farklı özelliklere sahip 2D malzemelerin katmanlarını kontrol ederek birleştirerek oluşturulabilir. Bu ilgi büyük bir anlaşma, daha önce doğada varolmayan malzemeler ya da önceden erişilemeyen fiziksel fenomen4,5,6,7 açığa amacı ile oluşturulabilir ,8,9 veya teknoloji uygulamaları için üstün cihazlar geliştirme. Bu nedenle, 2D malzeme istifleme üzerinde hassas kontrol olması araştırma alanında ana hedefleri biri haline gelmiştir10,11,12.
Özellikle, Van der Waals heterostructure alanında çalışmaktadır bitişik katmanları arasındaki büküm açısı malzeme özelliklerini kontrol etmek için önemli bir parametre olarak gösterildi13. Örneğin, bazı açılarda, bitişik katmanlar arasında göreli bir bükülme giriş etkili bir şekilde iki katmanı elektronik olarak ayrıştırabilir. Bu hem grafen14,15 yanı sıra geçiş metal dichalcogenides16,17,18,19incelenmiştir. Daha Geçenlerde, bu şaşırtıcı da bu malzemelerin durumun durumunu değiştirebilirsiniz bulundu. Bu fosfolipid grafen bir “sihirli açı” odaklı keşif düşük sıcaklıklarda bir Mott İzolatör olarak davranır ve elektron yoğunluğu düzgün ayarlı olduğunda bile bir süperiletken büyük ilgi ve açısal kontrol önemini bir gerçekleşmesine yol açtı katmanlı Van der Waals heterostructure alanında çalışmaktadır imal ederken13,20,21.
Motivasyon bilimsel fırsatlar tarafından yeni Van der Waals malzemelerin özelliklerini ayarlama fikri ile katmanlar arasında göreli oryantasyon ayarlayarak açıldı, biz bu tür yapıları oluşturmak için prosedür ile birlikte bir ev inşa enstrüman mevcut açısal kontrol ile.
Protocol
Representative Results
Discussion
Burada sunulan ev yapımı transfer kurulumu, hem lateral hem de rotasyonel kontrol ile yeni katmanlı malzemeler oluşturmak için bir yöntem sunmaktadır. Literatürde açıklanan diğer çözümlerle karşılaştırıldığında10,25, sistemimiz karmaşık altyapı gerektirmez, ancak 2D kristallerin kontrollü uyum hedefini elde eder.
Prosedürün en kritik adımı, üst kristalin alt kısmına temas etmesi ve hizalamak olmasıdır…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar Ottawa Üniversitesi ve NSERC Discovery Grant RGPIN-2016-06717 ve NSERC SPG QC2DM fon kabul eder.
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).
