Herstellung von van der Waals Heterostrukturen mit präziser Rotationsausrichtung
Summary
In dieser Arbeit beschreiben wir eine Technik, die verwendet wird, um neue Kristalle (van der Waals Heterostrukturen) zu erzeugen, indem ultradünne 2D-Materialien mit präziser Kontrolle über Position und relative Ausrichtung gestapelt werden.
Abstract
In dieser Arbeit beschreiben wir eine Technik zur Herstellung neuer Kristalle (van der Waals heterostructures) durch Stapeln von deutlichen ultradünnen 2D-Materialien. Wir demonstrieren nicht nur die seitliche Kontrolle, sondern vor allem auch die Kontrolle über die Winkelausrichtung benachbarter Schichten. Der Kern der Technik wird durch ein selbst gebautes Transfer-Setup dargestellt, das es dem Benutzer ermöglicht, die Position der einzelnen Kristalle, die an der Übertragung beteiligt sind, zu steuern. Dies wird mit Submikrometer-Präzision (translational) und Sub-Grad (Winkel) erreicht. Vor dem Stapeln werden die isolierten Kristalle individuell durch kundenspezifische Bewegungsstufen manipuliert, die über eine programmierte Softwareschnittstelle gesteuert werden. Da die gesamte Übertragungseinrichtung computergesteuert ist, kann der Anwender zudem aus der Ferne präzise Heterostrukturen erstellen, ohne direkt mit dem Transfer-Setup in Berührung zu kommen, und diese Technik als “freihändig” kennzeichnen. Neben der Präsentation des Transfer-Setups beschreiben wir auch zwei Techniken zur Vorbereitung der Kristalle, die anschließend gestapelt werden.
Introduction
Die Forschung auf dem aufkeimenden Gebiet zweidimensionaler (2D) Materialien begann, nachdem Die Forscher eine Technik entwickelt, die die Isolierung von Graphen1,2,3 (ein atomar flaches Blatt kohlenstoffatomischer) aus grafit. Graphen ist ein Mitglied einer größeren Klasse von geschichteten 2D-Materialien, auch als van der Waals-Materialien oder -Kristallen bezeichnet. Sie haben eine starke kovalente Intralayer-Bindung und eine schwache van der Waals-Interlayer-Kupplung. Daher kann die Technik zur Isolierung von Graphen aus Graphit auch auf andere 2D-Materialien angewendet werden, bei denen man die schwachen Zwischenschichtbindungen brechen und einzelne Schichten isolieren kann. Eine wichtige Entwicklung auf diesem Gebiet war die Demonstration, dass, so wie die van der Waals-Bindungen, die benachbarte Schichten zweidimensionaler Materialien zusammenhalten, zusammengebrochen werden können, sie auch wieder zusammengefügte werden können2,4. Daher können Kristalle aus 2D-Materialien durch das kontrollierte Stapeln von Schichten aus 2D-Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften erzeugt werden. Dies weckte großes Interesse, da Materialien, die zuvor in der Natur nicht vorhanden waren, mit dem Ziel geschaffen werden können, entweder ehemals unzugängliche physikalische Phänomene4,5,6,7 aufzudecken. ,8,9 oder die Entwicklung überlegener Geräte für Technologieanwendungen. Daher ist die präzise Kontrolle über das Stapeln von 2D-Materialien zu einem der Hauptziele im Forschungsbereich10,11,12geworden.
Insbesondere der Drehwinkel zwischen benachbarten Schichten in van der Waals Heterostrukturen erwies sich als wichtiger Parameter zur Steuerung der Materialeigenschaften13. Beispielsweise kann z. B. in einigen Winkeln die Einführung einer relativen Verdrehung zwischen benachbarten Schichten die beiden Schichten effektiv elektronisch entkoppeln. Dies wurde sowohl in Graphen14,15 sowie im Übergang Metall dichalcogenides16,17,18,19untersucht. In jüngerer Zeit wurde überraschend erweise wieder festgestellt, dass es auch den Zustand dieser Materialien verändern kann. Die Entdeckung, dass sich bilayer Graphen, das an einem “magischen Winkel” orientiert ist, bei niedrigen Temperaturen wie ein Mott-Isolator und sogar als Supraleiter verhält, wenn die Elektronendichte richtig abgestimmt ist, hat großes Interesse geweckt und die Bedeutung der Winkelkontrolle erkannt. bei der Herstellung von geschichteten van der Waals heterostructures13,20,21.
Motiviert durch die wissenschaftlichen Möglichkeiten, die sich durch die Idee eröffnet enden, die Eigenschaften neuartiger van der Waals-Materialien durch Anpassung der relativen Ausrichtung zwischen den Schichten zu optimieren, präsentieren wir ein selbstgebautes Instrument zusammen mit dem Verfahren, solche Strukturen zu schaffen. mit Winkelsteuerung.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die hier vorgestellte selbstgebaute Transfereinrichtung bietet eine Methode zum Bau neuartiger geschichteter Materialien mit seitlicher und rotierender Steuerung. Im Vergleich zu anderen Lösungen, die in der Literatur10,25beschrieben werden, benötigt unser System keine komplexe Infrastruktur, erreicht aber das Ziel der kontrollierten Ausrichtung von 2D-Kristallen.
Der wichtigste Schritt in der Prozedur ist das Ausrichten und Platzier…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren würdigen die Förderung durch die University of Ottawa und NSERC Discovery Grant RGPIN-2016-06717 und NSERC 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 |
Riferimenti
- 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).
