Fabbricazione di eterostrutture van der Waals con allineamento rotazionale preciso
Summary
In questo lavoro descriviamo una tecnica che viene utilizzata per creare nuovi cristalli (eterostrutture di Van der Waals) impilando materiali 2D ultrasottili stratificati con un controllo preciso sulla posizione e sull’orientamento relativo.
Abstract
In questo lavoro descriviamo una tecnica per la creazione di nuovi cristalli (eterostrutture van der Waals) impilando materiali 2D a strati ultrasottili distinti. Dimostriamo non solo il controllo laterale, ma, soprattutto, anche il controllo sull’allineamento angolare dei livelli adiacenti. Il nucleo della tecnica è rappresentato da una configurazione di trasferimento costruita in casa che consente all’utente di controllare la posizione dei singoli cristalli coinvolti nel trasferimento. Ciò si ottiene con la precisione sottomicrometro (traslazionale) e sottogrado (angolare). Prima di impilarli insieme, i cristalli isolati vengono manipolati individualmente da fasi mobili progettate su misura che sono controllate da un’interfaccia software programmata. Inoltre, poiché l’intera configurazione di trasferimento è controllata dal computer, l’utente può creare da remoto eterostrutture precise senza entrare in contatto diretto con l’impostazione del trasferimento, etichettando questa tecnica come “viva a mani libere”. Oltre a presentare il set-up di trasferimento, descriviamo anche due tecniche per la preparazione dei cristalli che vengono successivamente impilati.
Introduction
La ricerca nel campo in crescita dei materiali bidimensionali (2D) è iniziata dopo che i ricercatori hanno sviluppato una tecnica che ha permesso l’isolamento del grafene1,2,3 (un foglio atomicamente piatto di atomi di carbonio) da grafite f. Il grafene è membro di una classe più ampia di materiali 2D stratificati, chiamati anche materiali o cristalli di van der Waals. Hanno un forte legame intralayer covalente e un debole accoppiamento tra interlayer van der Waals. Pertanto, la tecnica per isolare il grafene dalla grafite può essere applicata anche ad altri materiali 2D in cui si possono rompere i deboli legami interstrato e isolare singoli strati. Uno sviluppo chiave nel campo è stata la dimostrazione che, proprio come i legami van der Waals che tengono insieme strati adiacenti di materiali bidimensionali possono essere rotti, possono anche essere rimessi insieme2,4. Pertanto, i cristalli di materiali 2D possono essere creati impilando in modo controllabile strati di materiali 2D con proprietà distinte. Questo ha suscitato un grande interesse, come materiali precedentemente inesistenti in natura possono essere creati con l’obiettivo di scoprire sia fenomeni fisici precedentemente inaccessibili4,5,6,7 ,8,9 o lo sviluppo di dispositivi di qualità superiore per applicazioni tecnologiche. Pertanto, avere un controllo preciso sull’impilamento di materiali 2D è diventato uno degli obiettivi principali nel campo della ricerca10,11,12.
In particolare, l’angolo di torsione tra gli strati adiacenti nelle eterostrutture di van der Waals è stato indicato come un parametro importante per il controllo delle proprietà del materiale13. Ad esempio, ad alcuni angoli, l’introduzione di una torsione relativa tra strati adiacenti può effettivamente disaccoppiare elettronicamente i due strati. Questo è stato studiato sia nel grafene14,15 così come in transizione metallo dichalcogenides16,17,18,19. Più recentemente, è stato sorprendentemente trovato che può anche alterare lo stato di materia di questi materiali. La scoperta che il grafene bistrato orientato ad un “angolo magico” si comporta come un isolante Mott a basse temperature e anche un superconduttore quando la densità degli elettroni è correttamente sintonizzata ha suscitato grande interesse e una realizzazione dell’importanza del controllo angolare durante la fabbricazione di eterostrutture a strati van der Waals13,20,21.
Motivati dalle opportunità scientifiche aperte dall’idea di accordare le proprietà dei nuovi materiali di van der Waals regolando l’orientamento relativo tra gli strati, presentiamo uno strumento costruito in casa insieme alla procedura per creare tali strutture con controllo angolare.
Protocol
Representative Results
Discussion
L’impostazione di trasferimento casalinga qui presentata offre un metodo per la costruzione di nuovi materiali stratificati con controllo laterale e rotazionale. Rispetto ad altre soluzioni descritte nella letteratura10,25, il nostro sistema non richiede infrastrutture complesse, ma raggiunge l’obiettivo di allineamento controllato di cristalli 2D.
La fase più critica della procedura è quella di allineare e posizionare il cristallo s…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori riconoscono i finanziamenti dell’Università di Ottawa e della 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 |
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