تصنيع هياكل فان دير والس هيتيرو مع محاذاة دورانية دقيقة
Summary
في هذا العمل نقوم بوصف تقنية تستخدم لخلق بلورات جديدة (فان دير والس الهياكل الغيرية) عن طريق التراص المواد الطبقات رقيقة جدا 2D مع السيطرة الدقيقة على الموقف والتوجه النسبي.
Abstract
في هذا العمل نقوم بوصف تقنية لخلق بلورات جديدة (فان دير والس الهياكل الغيرية) عن طريق التراص متميزة فائقة النحافة الطبقات 2D المواد. نحن لا نظهر السيطرة الجانبية فقط ولكن، الأهم من ذلك، أيضا السيطرة على محاذاة الزاوي من الطبقات المجاورة. يتم تمثيل جوهر هذه التقنية من قبل إعداد نقل المنزل الذي يسمح للمستخدم للسيطرة على موقف بلورات الفردية المشاركة في النقل. ويتحقق ذلك بدقة دون ميكرومتر (ترجمة) ودرجة فرعية (زاوي). قبل التراص معا، يتم التلاعب بلورات معزولة بشكل فردي من قبل مراحل متحركة مصممة خصيصا التي يتم التحكم فيها من قبل واجهة البرامج المبرمجة. وعلاوة على ذلك، وبما أن إعداد النقل بأكمله يتم التحكم فيه من قبل الكمبيوتر، يمكن للمستخدم عن بعد إنشاء هياكل غير متجانسة دقيقة دون الدخول في اتصال مباشر مع إعداد النقل، ووضع علامة على هذه التقنية بأنها “خالية من اليدين”. بالإضافة إلى تقديم مجموعة نقل، ونحن أيضا وصف اثنين من التقنيات لإعداد بلورات التي يتم مكدسة في وقت لاحق.
Introduction
بدأت البحوث في المجال المزدهر للمواد ثنائية الأبعاد (2D) بعد أن طور الباحثون تقنية مكنت من عزل الجرافين1و2و3 (ورقة مسطحة من ذرات الكربون) من الجرافيت. الجرافين هو عضو في فئة أكبر من المواد ذات الطبقات 2D، ويشار إليها أيضا باسم فان دير Waals المواد أو بلورات. لديهم قوية الترابط داخل الطبقات المشتركة وضعف فان دير والس اقتران بين الطبقات. ولذلك، فإن تقنية عزل الجرافين من الجرافيت يمكن أيضا أن تطبق على مواد أخرى 2D حيث يمكن للمرء كسر الروابط بين الطبقات ضعيفة وعزل طبقات واحدة. وكان أحد التطورات الرئيسية في هذا المجال هو مظاهرة أنه تماما كما يمكن كسر سندات فان دير والس عقد طبقات متجاورة من المواد ثنائية الأبعاد معا، ويمكن أيضا أن توضع معا مرة أخرى2،4. لذلك، يمكن إنشاء بلورات من المواد 2D عن طريق التراص بشكل يمكن السيطرة عليها معا طبقات من المواد 2D مع خصائص متميزة. وقد أثار ذلك قدرا كبيرا من الاهتمام، حيث يمكن إنشاء مواد لم تكن موجودة في السابق في الطبيعة بهدف إما الكشف عن الظواهر المادية التي لم يكن من الممكن الوصول إليها من قبل4و5و6و7 ،8،9 أو تطوير أجهزة متفوقة لتطبيقات التكنولوجيا. لذلك، أصبح وجود سيطرة دقيقة على التراص المواد 2D واحدة من الأهداف الرئيسية في مجال البحوث10،11،12.
وعلى وجه الخصوص، تبين أن زاوية الالتواء بين الطبقات المجاورة في هياكل فان دير والس غير المتجانسة هي معلمة هامة للتحكم في خصائص المواد13. على سبيل المثال، في بعض الزوايا، يمكن إدخال تطور نسبي بين الطبقات المجاورة فك بين الطبقتين إلكترونيًا بشكل فعال. وقد درس هذا على حد سواء في الجرافين14،15 وكذلك في انتقال dichalcogenides المعادن16،17،18،19. وفي الآونة الأخيرة، تبين من المستغرب أنه يمكن أيضا تغيير حالة هذه المواد. وقد أثار اكتشاف أن الجرافين ثنائي الطبقة الموجهة في “زاوية سحرية” كعازل موت في درجات حرارة منخفضة وحتى موصل فائق عندما يتم ضبط كثافة الإلكترون بشكل صحيح اهتماما كبيرا وإدراك أهمية السيطرة الزاوي عند تلفيق الطبقات فان دير Waals الهياكل heterostructures13،20،21.
بدافع من الفرص العلمية التي فتحتها فكرة ضبط خصائص مواد رواية فان دير والس من خلال ضبط التوجه النسبي بين الطبقات، نقدم أداة منزلية جنبا إلى جنب مع إجراء إنشاء مثل هذه الهياكل مع التحكم الزاوي.
Protocol
Representative Results
Discussion
يوفر إعداد النقل المنزلي المعروض هنا طريقة لبناء مواد ذات طبقات جديدة مع التحكم الجانبي والتناوبي على حد سواء. بالمقارنة مع الحلول الأخرى الموصوفة في الأدب10،25، نظامنا لا يتطلب البنية التحتية المعقدة ، لكنه يحقق هدف المحاذاة التي تسيطر عليها من بلورات 2D.
…Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
يقر المؤلفون بتمويل من جامعة أوتاوا وNSERC ديسكفري منحة RGPIN-2016-06717 وNSERC SPG QC2DM.
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).
