Fabrikere Van der Waals Heterostructures med presis rotasjons justering
Summary
I dette arbeidet beskriver vi en teknikk som brukes til å lage nye krystaller (van der Waals heterostructures) ved å stable ultratynne lagdelte 2D-materialer med presis kontroll over posisjon og relativ orientering.
Abstract
I dette arbeidet beskriver vi en teknikk for å lage nye krystaller (van der Waals heterostructures) ved å stable distinkte ultratynne lagdelte 2D-materialer. Vi viser ikke bare lateral kontroll, men viktigst, også kontroll over kantete justering av tilstøtende lag. Kjernen i teknikken er representert ved en hjemmelaget overføring oppsett som tillater brukeren å kontrollere plasseringen av de enkelte krystaller som er involvert i overføringen. Dette oppnås med sub-mikrometer (translational) og sub-graders (kantete) presisjon. Før stable dem sammen, de isolerte krystaller er individuelt manipulert av spesialdesignede bevegelige stadier som styres av et programmert programvaregrensesnitt. Videre, siden hele overføringen oppsettet er datamaskinen styres, kan brukeren eksternt opprette presise heterostructures uten å komme i direkte kontakt med overføringen oppsett, merking denne teknikken som “Hands-Free”. I tillegg til å presentere overførings oppsettet, beskriver vi også to teknikker for å forberede krystallene som deretter stables.
Introduction
Forskning i det spirende feltet av todimensjonale (2D) materialer begynte etter at forskerne utviklet en teknikk som aktiverte isolasjonen av grafen1,2,3 (en atomically flat ark av karbonatomer) fra Grafitt. Grafen er medlem av en større klasse med lagdelte 2D-materialer, også referert til som Van der Waals materialer eller krystaller. De har sterke kovalente intralayer binding og svake Van der Waals mellomlag kopling. Derfor kan teknikken for å isolere grafen fra grafitt også brukes på andre 2D-materialer der man kan bryte de svake mellomlag obligasjoner og isolere enkelt lag. En viktig utvikling i feltet var demonstrasjonen at akkurat som Van der Waals obligasjoner holder tilstøtende lag av to-dimensjonale materialer sammen kan brytes, kan de også bli satt sammen igjen2,4. Derfor kan krystaller av 2D materialer lages ved controllably stabling sammen lag av 2D materialer med distinkte egenskaper. Dette påvirket en stor del av interesse, som materialer tidligere inexistent i naturen kan skapes med mål om enten avdekke tidligere utilgjengelige fysiske fenomener4,5,6,7 ,8,9 eller utvikle overlegne enheter for teknologi applikasjoner. Derfor har presis kontroll over stabling 2D materialer har blitt en av de viktigste målene i forskningen feltet10,11,12.
Spesielt var Twist vinkelen mellom tilstøtende lag i Van der Waals heterostructures vist å være en viktig parameter for å kontrollere materialets egenskaper13. For eksempel, i noen vinkler, kan innføringen av en relativ vridning mellom tilstøtende lag effektivt elektronisk koble de to lagene. Dette ble studert både i grafen14,15 , så vel som i overgangen metaldichalcogenides 16,17,18,19. Mer nylig ble det overraskende funnet at det kan også endre tilstanden av materie av disse materialene. Oppdagelsen av at bilayer grafen orientert på en “magisk vinkel” oppfører seg som en Mott isolator ved lave temperaturer og til og med en superleder når elektron tettheten er riktig innstilt har skapt stor interesse og en realisering av viktigheten av kantete kontroll Når fabrikere lagdelte Van der Waals heterostructures13,20,21.
Motivert av de vitenskapelige mulighetene åpnet opp av ideen om tuning egenskapene til romanen Van der Waals materialer ved å justere den relative orientering mellom lagene, presenterer vi en hjemmelaget instrument sammen med prosedyren for å lage slike strukturer med kantete kontroll.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den hjem-bygget overføring oppsett som presenteres her tilbyr en metode for å bygge romanen lagdelte materialer med både lateral og roterende kontroll. Sammenlignet med andre løsninger som er beskrevet i litteraturen10,25, vårt system krever ikke kompleks infrastruktur, men det oppnår målet om kontrollert justering av 2D krystaller.
Det mest kritiske trinnet i prosedyren er at for å samkjøre og plassere den øverste krystallen…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne erkjenner finansiering fra University of Ottawa og NSERC Discovery stipend RGPIN-2016-06717 og 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
- 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).
