Fabrikkende van der Waals Heterostrukturer med præcis rotations justering
Summary
I dette arbejde beskriver vi en teknik, der bruges til at skabe nye krystaller (Van der Waals heterostrukturer) ved at stable ultratynde lagdelte 2D-materialer med præcis kontrol over position og relativ orientering.
Abstract
I dette arbejde beskriver vi en teknik til at skabe nye krystaller (Van der Waals heterostrukturer) ved at stable særskilte ultratynde lagdelte 2D-materialer. Vi demonstrere ikke kun lateral kontrol, men, vigtigere, også kontrol over den kantede justering af tilstødende lag. Kernen i teknikken er repræsenteret ved en hjemme-bygget overførsel setup, som gør det muligt for brugeren at kontrollere placeringen af de enkelte krystaller involveret i overførslen. Dette opnås med sub-micrometer (translational) og sub-Degree (kantede) præcision. Før stabling dem sammen, de isolerede krystaller er individuelt manipuleret af specialdesignede bevægelige stadier, der styres af en programmeret software interface. Desuden, da hele overførslen setup er computer kontrolleret, kan brugeren eksternt oprette præcise heterostrukturer uden at komme i direkte kontakt med overførslen setup, mærkning denne teknik som “håndfri”. Ud over at præsentere overførselssættet beskriver vi også to teknikker til klargøring af de krystaller, der efterfølgende stables.
Introduction
Forskning i spirende felt af to-dimensionelle (2D) materialer begyndte efterforskerne udviklet en teknik, der gjorde det muligt isolering af Graphene1,2,3 (en atomisk flad plade af kulstofatomer) fra Grafit. Graphene er medlem af en større klasse af lagdelte 2D-materialer, også kaldet van der Waals materialer eller krystaller. De har stærke kovalente intralayer bonding og svage van der Waals mellemlægget kobling. Derfor kan teknikken til isolering af Graphene fra grafit også anvendes på andre 2D-materialer, hvor man kan bryde de svage mellemlag obligationer og isolere enkelte lag. En vigtig udvikling på området var demonstrationen, at ligesom van der Waals obligationer, der holder tilstødende lag af to-dimensionelle materialer sammen kan brydes, kan de også sættes sammen igen2,4. Derfor kan krystaller af 2D-materialer skabes ved kontrollabel stabling sammen lag af 2D-materialer med forskellige egenskaber. Dette ansporet en stor interesse, som materialer, der tidligere eksisterede i naturen kan skabes med det mål at enten afdække tidligere utilgængelige fysiske fænomener4,5,6,7 ,8,9 eller udvikling af overlegne enheder til teknologi applikationer. Derfor, at have præcis kontrol over stabling 2D materialer er blevet en af de vigtigste mål i forskningen felt10,11,12.
Især har twist vinklen mellem tilstødende lag i Van der Waals heterostrukturer vist sig at være en vigtig parameter til kontrol af materialeegenskaber13. For eksempel kan indførelsen af et relativt twist mellem tilstødende lag i nogle vinkler effektivt elektronisk afkoble de to lag. Dette blev undersøgt både i Graphene14,15 og i Transition metal dichalcogenides16,17,18,19. For nylig blev det overraskende konstateret, at det også kan ændre tilstanden af spørgsmålet om disse materialer. Opdagelsen af, at tolags Graphene orienteret på en “magisk vinkel” opfører sig som en Mott isolator ved lave temperaturer og endda en superleder, når elektron tætheden er korrekt tunet har udløst stor interesse og en erkendelse af betydningen af den kantede kontrol Når opdigte lagdelte van der Waals heterostrukturer13,20,21.
Motiveret af de videnskabelige muligheder, der åbnes af ideen om tuning egenskaberne af roman van der Waals materialer ved at justere den relative orientering mellem lagene, præsenterer vi et hjem bygget instrument sammen med proceduren for at skabe sådanne strukturer med vinkelkontrol.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den hjemmebyggede overførsels opsætning, der præsenteres her, tilbyder en metode til opbygning af nye lagdelte materialer med både lateral og rotations kontrol. Sammenlignet med andre løsninger, der er beskrevet i litteraturen10,25, kræver vores system ikke kompleks infrastruktur, men det opnår målet om kontrolleret tilpasning af 2D-krystaller.
Det mest kritiske trin i proceduren er at justere og placere den øverste krystal i …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne anerkender finansiering fra University of Ottawa og NSERC Discovery Grant 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 |
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).
