בדיית ואן דר ואלס הטרובנים עם יישור סיבוב מדויק
Summary
בעבודה זו אנו מתארים טכניקה המשמשת ליצירת קריסטלים חדשים (ואן דר וואלס הטרובנים) על ידי הערמה של חומרים דו-ממדיים שכבתית באולטרסאונד עם שליטה מדויקת על המיקום ועל אוריינטציה יחסית.
Abstract
בעבודה זו אנו מתארים טכניקה ליצירת גבישים חדשים (ואן דר Waals הטרובנים) על ידי הערמה חומרים דו-ממדיים שכבתית בעלי בדיקת אולטרה דק. אנו מדגימים לא רק שליטה לרוחב, אלא, חשוב, גם לשלוט על יישור זוויתי של שכבות סמוכות. ליבת הטכניקה מיוצגת על ידי התקנת העברה ביתית המאפשרת למשתמש לשלוט במיקום הקריסטלים הבודדים המעורבים בהעברה. הדבר מושג בדיוק של תת-מיקרומטר (העברה) ומידה משנית (זוויתי). לפני הערמה אותם יחד, הקריסטלים מבודדים מניפולציות באופן אינדיבידואלי על ידי שלבי הובלה מתוכננים מותאמים אישית הנשלטים על ידי ממשק תוכנה מתוכנת. יתרה מזאת, מאחר שהגדרת ההעברה כולה מבוקרת מחשב, המשתמש יכול ליצור מרחוק הטרוסקסואלים מדויקים מבלי להגיע למגע ישיר עם התקנת ההעברה, ולתייג טכניקה זו כ”ללא ידיים”. בנוסף להצגת הגדרת ההעברה, אנו מתארים גם שתי טכניקות להכנת הקריסטלים המוערמות לאחר מכן.
Introduction
מחקר בשדה המתפתחת של דו מימדי (2d) חומרים החלו לאחר שחוקרים פיתחו טכניקה אשר אפשרה בידוד של גראפן1,2,3 (גיליון שטוח אטותי של אטומי פחמן) מ גרפיט. גראפן הוא חבר של מחלקה גדולה יותר של חומרים דו-ממדיים שכבתית, המכונה גם חומרים וכלי ואן דר וואלס. יש להם קשרים חזקים ומתחברים. עם מצמד שכבות של ואן דר וואלס לכן, את הטכניקה עבור בידוד גראפן מגרפיט יכול להיות גם להחיל על חומרים אחרים 2D שבו אפשר לשבור את הקשרים הבין שכבת חלש לבודד שכבות יחיד. אחד הפיתוח העיקרי בתחום היה ההפגנה כי בדיוק כמו הקשרים ואן דר waals המחזיק שכבות סמוכות של חומרים דו ממדיים יחד ניתן לשבור, הם יכולים גם להיות ביחד2,4. לכן, קריסטלים של חומרים דו-ממדיים יכולים להיווצר על-ידי פיקודית הערמה יחד של שכבות של חומרים דו-ממדיים עם מאפיינים שונים. הדבר דרבן עניין רב, כאשר החומרים שהיו קיימים בטבע בעבר יכולים להיווצר במטרה לחשוף בעבר תופעות פיזיות בלתי נגישות4,5,6,7 ,8,9 או פיתוח התקנים מעולים עבור יישומים טכנולוגיים. לכן, לאחר שליטה מדויקת על הערמה חומרים דו-ממדיים הפכה לאחת המטרות העיקריות בתחום המחקר10,11,12.
בפרט, זווית הפיתול בין השכבות הסמוכות ב-van der Waals הטרובנים הוצגה כפרמטר חשוב לשליטה בתכונות החומר13. לדוגמה, בזוויות מסוימות, המבוא של פיתול יחסי בין שכבות סמוכות יכול לזיווג בצורה אלקטרונית את שתי השכבות. זה נחקרו הן בגרפן14,15 , כמו גם במעבר מתכת dichalcogenides16,17,18,19. לאחרונה, התגלה באופן מפתיע כי הוא יכול גם לשנות את מצב החומר של חומרים אלה. התגלית כי בינה גרפית מכוונת ב “זווית קסם” מתנהג כמו בידוד מוט בטמפרטורות נמוכות ואפילו סופר מנצח כאשר צפיפות האלקטרונים מכוון כראוי הפכה עניין רב ומימוש החשיבות של השליטה זוויתי בעת בדיית שכבות ואן דר וואלס הטרובנים13,20,21.
מונע על ידי ההזדמנויות המדעיות נפתח על ידי הרעיון של כוונון המאפיינים של חומרי ואן דר Waals הרומן על ידי התאמת הכיוון היחסי בין השכבות, אנו מציגים כלי מובנה בבית יחד עם ההליך ליצור מבנים כאלה עם בקרה זוויתית.
Protocol
Representative Results
Discussion
הגדרת ההעברה המובנית המוצגת כאן מציעה שיטה לבניית חומרים שכבתית הרומן עם שליטה לרוחב וסיבוב. בהשוואה לפתרונות אחרים המתוארים בספרות10,25, המערכת שלנו אינה דורשת תשתית מורכבת, אך היא משיגה את המטרה של יישור מבוקר של גבישים דו-ממדיים.
הצעד הקריט?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים להכיר מימון מאוניברסיטת אוטווה ו-NSERC מענק דיסקברי RGPIN-2016-06717 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 |
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).
