高质量基于石墨烯的莫尔条纹超晶格器件的优化制造工艺

我们的研究重点是二维材料及其异质结构的量子电子特性，旨在发现和研究新的量子现象，开发新型电子器件。我们开创了扭转领域，其中二维材料异质结构的特性随着层之间的角度而变化。最有影响力的发现是魔术血管造影中的超级连通性。

由于纳米制造过程中引入的加热器应变无序和晶格松弛，实现精确的扭曲角仍然具有挑战性，这通常会导致设计均匀性并限制样品之间的可重复性。该协议反映了我们在优化每个制造步骤以提高均匀性和产量方面的经验，使更多研究人员能够可靠地构建高质量的石墨烯莫尔器件，并加速该领域的进展。

[旁白]首先，将石墨烯晶圆放置在传输装置的样品台上，并与超级连续激光器集成。使用窥视使 Inkscape 窗口在浮动在相机窗口上方时半透明。使用 Inkscape 中的绘制 BZA 曲线和直线功能来勾勒石墨烯边界和计划的激光切割线。现在打开激光器电源并增加强度，直到可见光束光斑。调整样品台，使光束光斑与计划的激光切割线的起点对齐。接下来，移动样品台以沿着计划的激光切割线引导光束光斑。将激光强度归零后，检查激光切割线。重复这些步骤，直到所有计划的生产线都被激光切割。要拾取顶部的六角形亚硝酸硼薄片，请调整薄片的方向，直到直边垂直并位于右侧。轻轻地夹住载玻片，将带有 PC 和 PDMS 印章的载玻片，以向下倾斜两到三度的角度插入插座内。使用滑动托盘向左滑动插座，直到载玻片位于样品晶片上方，然后手动将其锁定到位。将样品台温度设置为 50 摄氏度后，使用 Z 方向执行器向下接合载玻片。将显微镜聚焦在聚碳酸酯薄膜上并检查表面清洁度。将六方氮化硼薄片移动到选定的清洁区域，并进一步向下接合载玻片。现在以每秒 5 微米的速度将印章啮合到晶圆上，直到它完全覆盖六方氮化硼薄片，然后将样品台温度设置为 80 摄氏度。样品台温度达到80摄氏度后，以每秒5微米的速度脱离印章，直到波前接近六方亚硝酸硼直尺，然后以每秒2微米的减速拾取薄片。拾取后，将速度提高到每秒 5 微米，以将聚碳酸酯薄膜从晶圆上分离。关闭舞台加热器并打开水冷系统。当温度降至 45 摄氏度以下时，关闭水冷系统。以每秒一毫米的速度完全松开载玻片。将装有新激光切割石墨烯的晶圆放在样品台上，并使用 10X 物镜定位石墨烯。调整薄片方向，使激光切割线与六方氮化硼直尺平行。在 Inkscape 中勾勒出石墨烯边界，包括激光切割线。现在，将带有顶部六方氮化硼薄片的载玻片移动到石墨烯晶圆上方两毫米处与PC和PDMS印章的预接合位置。将片状直边与激光切割线的中心对齐，使六方氮化硼与石墨烯图纸相匹配。调整显微镜以聚焦于石墨烯并将其与其 Inkscape 绘图对齐。然后将焦点聚焦在顶部薄片上，并沿 XY 方向移动载玻片以使其与其绘图对齐。重新聚焦在略高于预切石墨烯的焦平面上后，以每秒 0.1 毫米的速度向下接合载玻片，直到顶部薄片聚焦。重新聚焦在石墨烯上，并将速度设置为每秒五微米。慢慢接合印章，直到薄片变得粗略可见，同时确保不与晶圆接触。继续接合印模向下，直到它接触晶圆。以每秒 0.5 微米的速度接合印章，直到波前接近薄片的左边缘。将速度降低0.02微米/秒，并继续啮合以接触第一个石墨烯片。一旦薄片完全覆盖第一块石墨烯并固定在直边上，就停止啮合。通过以每秒 5 微米的速度向上移动载物台，直到波前开始缩回，消除滞后。 将脱离速度设置为每秒 0.02 微米，以轻轻拾取石墨烯。当波前远离薄片时，将速度提高到每秒 5 微米，以将印章从晶圆上完全分离。现在在 Inkscape 中复制整个石墨烯绘图，并将其旋转所需的扭曲角度。将复印图中的第二块石墨烯与原始图中的第一块对齐，以最大限度地重叠。将样品旋转所需的扭曲角度。将晶圆上剩余的石墨烯与复制的图对齐。聚焦载玻片上顶部的六边形氮化硼薄片，并将其与图纸对齐。将薄片与图纸对齐后，重复演示的步骤以拾取剩余的石墨烯。拿起后，在显微镜下检查顶层堆栈的质量。将带有预清洁、无气泡底浇口的晶圆放在样品台上。使用 Inkscape 勾勒出底部浇口的边界。将顶部堆栈的图纸与底部浇口的图纸对齐，以将扭曲的双层石墨烯放置在石墨指上。将样品台温度设置为160摄氏度，撕下封装后的聚碳酸酯薄膜，然后用顶部堆叠加载载玻片，并将其移动到预啮合位置。将底部浇口和顶部堆栈与图纸大致对齐。对焦于底部门，然后稍微抬高焦平面。识别底部门和顶部堆栈之间的另一个中间焦平面，然后将速度设置为每秒 5 微米，并接合印章，直到顶部堆栈可见。将两者准确地与图纸对齐。当样品台高于 150 摄氏度时，以每秒 5 微米的速度接合印章，直到波前接近底门，然后将速度降低到每秒 0.5 微米。慢慢地将顶部堆栈接合到底部门上。一旦波前通过顶部堆栈，将速度提高回每秒 5 微米，使印章完全接合到晶圆上，然后以每秒 5 微米的速度脱离印章。将印章与晶圆完全分离后，以每秒 5 微米的速度向上提起印章三秒钟。开始沿 XY 方向移动以撕下聚碳酸酯薄膜。以每秒一毫米的速度完全脱离载玻片，并将其从插座中取出。关闭舞台加热器并激活水冷系统。一旦温度降至室温，取出晶圆并在光学显微镜下检查。在高质量魔角扭曲双层石墨烯器件中，电荷中性点和超晶格间隙中出现四倍简并着陆输出扇形，在较高磁场下分解为二倍或一倍简并。在半填充状态下，发现了对称性破碎的双重简并地出扇，表明相关的绝缘行为。超导穹顶位于半填充状态下的出地扇下方。温度相关电阻测量显示，半填充态两侧有两个超导圆顶，最高临界温度达到约 1.7 开尔文。在14个实测装置中，最佳临界温度在1.08度附近的扭曲角处达到峰值，与理论预测一致。与高质量器件相比，魔角附近的无序器件表现出显着降低的临界温度，如其电阻与温度曲线所示。这些观察结果强调了优化制造工艺以实现高质量石墨烯基莫尔超晶格器件的重要性。