Van der Waals Heterostructures met precieze rotatie uitlijning
Summary
In dit werk beschrijven we een techniek die wordt gebruikt om nieuwe kristallen (van der Waals heterostructures) te maken door het stapelen van ultradunne gelaagde 2D-materialen met nauwkeurige controle over positie en relatieve oriëntatie.
Abstract
In dit werk beschrijven we een techniek voor het maken van nieuwe kristallen (van der Waals heterostructures) door het stapelen van verschillende ultradunne gelaagde 2D materialen. We demonstreren niet alleen laterale controle, maar, belangrijk, ook controle over de hoek uitlijning van aangrenzende lagen. De kern van de techniek wordt vertegenwoordigd door een huisgemaakte Transfer Setup waarmee de gebruiker de positie kan bepalen van de individuele kristallen die bij de overdracht betrokken zijn. Dit wordt bereikt met sub-micrometer (translationele) en sub-graden (hoekige) precisie. Voordat ze samen worden gestapeld, worden de geïsoleerde kristallen individueel gemanipuleerd door op maat ontworpen bewegende stadia die worden bestuurd door een geprogrammeerde software-interface. Bovendien kan de gebruiker, aangezien de gehele overdrachts instelling computergestuurd is, op afstand precieze Heterostructuren creëren zonder in direct contact te komen met de overdrachts instellingen, waarbij deze techniek als “Handsfree” wordt gelabeling. Naast het presenteren van de transfer, beschrijven we ook twee technieken voor het bereiden van de kristallen die vervolgens gestapeld worden.
Introduction
Onderzoek in het ontluikende veld van tweedimensionale (2D) materialen begon nadat de onderzoekers een techniek ontwikkelden die de isolatie van grafeen1,2,3 (een atomisch vlakke plaat van koolstofatomen) van Graphite. Graphene is een lid van een grotere klasse van gelaagde 2D-materialen, ook wel van der Waals materialen of kristallen genoemd. Ze hebben een sterke covalente intralayer binding en zwakke van der Waals tussenlaag koppeling. Daarom kan de techniek voor het isoleren van grafeen uit grafiet ook worden toegepast op andere 2D-materialen waar men de zwakke tussenlaag bindingen kan breken en enkele lagen isoleert. Een belangrijke ontwikkeling in het veld was de demonstratie dat, net zoals de van der Waals-obligaties die aangrenzende lagen van tweedimensionale materialen in elkaar houden, kunnen worden gebroken, ze ook samen2,4kunnen worden teruggeplaatst. Daarom kunnen kristallen van 2D-materialen worden gemaakt door lagen van 2D-materialen met verschillende eigenschappen op elkaar te stapelen. Dit stimude veel belangstelling, omdat materialen die voorheen onbestaande waren in de natuur kunnen worden gecreëerd met als doel het ontdekken van voorheen ontoegankelijke fysieke verschijnselen4,5,6,7 ,8,9 of het ontwikkelen van superieure apparaten voor technologie toepassingen. Daarom is het hebben van precieze controle over het stapelen van 2D-materialen een van de belangrijkste doelen in het onderzoeksveld10,11,12geworden.
In het bijzonder bleek de draaihoek tussen aangrenzende lagen in van der Waals halfgeleiderheterostructuren een belangrijke parameter te zijn voor het beheersen van materiaaleigenschappen13. In sommige hoeken kan de introductie van een relatieve twist tussen aangrenzende lagen bijvoorbeeld de twee lagen effectief elektronisch ontkoppelen. Dit werd bestudeerd zowel in grafeen14,15 als in overgangsmetalen dichalcogenides16,17,18,19. Meer recentelijk werd het verrassend gevonden dat het ook de toestand van de materie van deze materialen kan veranderen. De ontdekking dat dubbelgelaagde grafeen gericht op een “magische hoek” gedraagt zich als een Mott isolator bij lage temperaturen en zelfs een supergeleider wanneer de elektronen dichtheid correct is afgesteld heeft grote belangstelling gewekt en een realisatie van het belang van de hoekige controle bij het fabriekeren van gelaagde van der Waals halfgeleiderheterostructuren13,20,21.
Gemotiveerd door de wetenschappelijke kansen die zijn ontstaan door het idee van het afstemmen van de eigenschappen van nieuwe van der Waals materialen door het aanpassen van de relatieve oriëntatie tussen de lagen, presenteren we een huis gebouwd instrument samen met de procedure om dergelijke structuren te creëren met hoekige controle.
Protocol
Representative Results
Discussion
De huisgemaakte overdrachts instellingen die hier worden gepresenteerd, bieden een methode voor het bouwen van nieuwe gelaagde materialen met zowel laterale als roterende controle. In vergelijking met andere oplossingen beschreven in de literatuur10,25, ons systeem vereist geen complexe infrastructuur, maar het bereikt het doel van gecontroleerde uitlijning van 2D kristallen.
De meest kritieke stap in de procedure is het uitlijnen en p…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs erkennen de financiering van de Universiteit van Ottawa en NSERC Discovery Grant RGPIN-2016-06717 en 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).
