Fabricando Van der Waals Heterostructures com alinhamento rotativo preciso
Summary
Neste trabalho nós descrevemos uma técnica que seja usada para criar cristais novos (heterostructures de Van der Waals) empilhando materiais 2D mergulhados ultrafinos com controle preciso sobre a posição e a orientação relativa.
Abstract
Neste trabalho nós descrevemos uma técnica para criar cristais novos (heterostructures de Van der Waals) empilhando materiais 2D em camadas ultrafinos distintos. Nós demonstramos não somente o controle lateral mas, importante, igualmente controlam sobre o alinhamento angular de camadas adjacentes. O núcleo da técnica é representado por uma configuração de transferência construída em casa, que permite ao usuário controlar a posição dos cristais individuais envolvidos na transferência. Isto é conseguido com a precisão do secundário-micrômetro (translational) e do secundário-grau (angular). Antes de empilhá-los junto, os cristais isolados são manipulados individualmente por estágios moventes costume-projetados que são controlados por uma relação programada do software. Além disso, uma vez que toda a configuração de transferência é controlada por computador, o usuário pode criar remotamente heteroestruturas precisas sem entrar em contato direto com a configuração de transferência, rotulando esta técnica como “Hands-Free”. Além de apresentar a transferência de set-up, também descrevemos duas técnicas para preparar os cristais que são posteriormente empilhados.
Introduction
A pesquisa no campo florescente de materiais bidimensionais (2D) começou depois que os pesquisadores desenvolveram uma técnica que permitiu o isolamento de grafeno1,2,3 (uma folha atomicamente plana de átomos de carbono) de Grafite. Graphene é um membro de uma classe maior de materiais 2D mergulhados, igualmente referidos como materiais ou cristais de Van der Waals. Têm a ligação covalente forte do intralayer e o acoplamento fraco do interlayer de Van der Waals. Portanto, a técnica para isolar grafeno de grafite também pode ser aplicada a outros materiais 2D, onde se pode quebrar as ligações interlayer fracas e isolar camadas únicas. Um desenvolvimento chave no campo era a demonstração que apenas como as ligações de Van der Waals que prendem camadas adjacentes de materiais bidimensionais junto podem ser quebradas, podem igualmente ser põr para trás junto2,4. Conseqüentemente, os cristais de materiais 2D podem ser criados controllably empilhando junto camadas de materiais 2D com propriedades distintas. Isto estimulou uma grande quantidade de interesse, como materiais anteriormente inexistente na natureza pode ser criado com o objetivo de qualquer um descobrindo anteriormente inacessíveis fenômenos físicos4,5,6,7 , 8,9 ou desenvolvendo dispositivos superiores para aplicações tecnológicas. Portanto, ter um controle preciso sobre o empilhamento de materiais 2D tornou-se um dos principais objetivos do campo de pesquisa10,11,12.
Em particular, o ângulo de torção entre as camadas adjacentes em heteroestruturas de Van der Waals mostrou-se um parâmetro importante para controlar as propriedades do material13. Por exemplo, em alguns ângulos, a introdução de uma torção relativa entre camadas adjacentes pode efetivamente desacoplar eletronicamente as duas camadas. Isso foi estudado tanto no grafeno14,15 quanto no metal de transição vi16,17,18,19. Mais recentemente, foi surpreendentemente encontrado que ele também pode alterar o estado da matéria desses materiais. A descoberta que o grafeno do BICAMADA orientado em um “ângulo mágico” comporta-se como um isolador de Mott em baixas temperaturas e mesmo em um supercondutor quando a densidade do elétron é ajustada corretamente provocou o grande interesse e uma realização da importância do controle angular Quando fabricando camadas de Van der Waals heteroestruturas13,20,21.
Motivado pelas oportunidades científicas abertas pela idéia de ajustar as propriedades dos materiais novos de Van der Waals ajustando a orientação relativa entre as camadas, nós apresentamos um instrumento Home-construído junto com o procedimento para criar tais estruturas com controle angular.
Protocol
Representative Results
Discussion
A configuração de transferência construída em casa apresentada aqui oferece um método para a construção de novos materiais em camadas com controle lateral e rotativo. Comparado a outras soluções descritas na literatura10,25, nosso sistema não requer infraestrutura complexa, mas atinge o objetivo de alinhamento controlado de cristais 2D.
O passo mais crítico no procedimento é o de alinhar e colocar o cristal superior em cont…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Os autores reconhecem o financiamento da Universidade de Ottawa e NSERC Discovery Grant RGPIN-2016-06717 e 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 |
Referências
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