Fabricación de las heteroestructuras de van der Waals con alineación rotacional precisa
Summary
En este trabajo describimos una técnica que se utiliza para crear nuevos cristales (van der Waals heteroestructuras) apilando materiales 2D en capas ultrafinas con control preciso sobre la posición y la orientación relativa.
Abstract
En este trabajo describimos una técnica para crear nuevos cristales (van der Waals heteroestructuras) apilando materiales 2D en capas ultrafinas. Demostramos no sólo el control lateral, sino, lo que es más importante, también el control sobre la alineación angular de las capas adyacentes. El núcleo de la técnica está representado por una configuración de transferencia casera que permite al usuario controlar la posición de los cristales individuales involucrados en la transferencia. Esto se logra con una precisión submicrométrica (traslacional) y subgrado (angular). Antes de apilarlos juntos, los cristales aislados son manipulados individualmente por etapas móviles diseñadas a medida que son controladas por una interfaz de software programada. Además, dado que toda la configuración de transferencia está controlada por ordenador, el usuario puede crear de forma remota heteroestructuras precisas sin entrar en contacto directo con la configuración de transferencia, etiquetando esta técnica como “manos libres”. Además de presentar la configuración de transferencia, también describimos dos técnicas para preparar los cristales que posteriormente se apilan.
Introduction
La investigación en el floreciente campo de los materiales bidimensionales (2D) comenzó después de que los investigadores desarrollaran una técnica que permitió el aislamiento del grafeno1,2,3 (una lámina atómicamente plana de átomos de carbono) de Grafito. El grafeno es un miembro de una clase más grande de materiales 2D en capas, también conocidos como materiales o cristales van der Waals. Tienen una fuerte unión intracapa covalente y un acoplamiento intercapa van der Waals débil. Por lo tanto, la técnica para aislar el grafeno del grafito también se puede aplicar a otros materiales 2D donde se pueden romper los enlaces entre capas débiles y aislar capas individuales. Un desarrollo clave en el campo fue la demostración de que así como los enlaces van der Waals que mantienen capas adyacentes de materiales bidimensionales juntos se pueden romper, también se pueden volver a juntar2,4. Por lo tanto, los cristales de materiales 2D se pueden crear apilando controlariamente capas de materiales 2D con propiedades distintas. Esto despertó un gran interés, ya que los materiales anteriormente inexistentes en la naturaleza se pueden crear con el objetivo de descubrir fenómenos físicos antes inaccesibles4,5,6,7 ,8,9 o el desarrollo de dispositivos superiores para aplicaciones tecnológicas. Por lo tanto, tener un control preciso sobre el apilamiento de materiales 2D se ha convertido en uno de los principales objetivos en el campo de investigación10,11,12.
En particular, se demostró que el ángulo de torsión entre las capas adyacentes en las heteroestructuras de van der Waals era un parámetro importante para controlar las propiedades del material13. Por ejemplo, en algunos ángulos, la introducción de un giro relativo entre capas adyacentes puede desacoplar las dos capas de forma eficaz electrónicamente. Esto fue estudiado tanto en grafeno14,15 así como en la transición de metal dichalcogenides16,17,18,19. Más recientemente, sorprendentemente se encontró que también puede alterar el estado de la materia de estos materiales. El descubrimiento de que el grafeno bicapa orientado en un “ángulo mágico” se comporta como un aislante Mott a bajas temperaturas e incluso un superconductor cuando la densidad de electrones está correctamente ajustada ha despertado un gran interés y una comprensión de la importancia del control angular al fabricar entoncesdes de van der Waals13,20,21.
Motivados por las oportunidades científicas que se abren gracias a la idea de afinar las propiedades de los materiales novedosos de van der Waals ajustando la orientación relativa entre las capas, presentamos un instrumento casero junto con el procedimiento para crear tales estructuras con control angular.
Protocol
Representative Results
Discussion
La configuración de transferencia casera presentada aquí ofrece un método para construir nuevos materiales en capas con control lateral y rotacional. En comparación con otras soluciones descritas en la literatura10,25, nuestro sistema no requiere infraestructura compleja, sin embargo, logra el objetivo de alineación controlada de cristales 2D.
El paso más crítico en el procedimiento es el de alinear y colocar el cristal superior…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores reconocen la financiación de la Universidad de Ottawa y nSERC Discovery otorgan RGPIN-2016-06717 y 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
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