Herstellung von van der Waals Heterostrukturen mit präziser Rotationsausrichtung

Zusammenfassung

In dieser Arbeit beschreiben wir eine Technik, die verwendet wird, um neue Kristalle (van der Waals Heterostrukturen) zu erzeugen, indem ultradünne 2D-Materialien mit präziser Kontrolle über Position und relative Ausrichtung gestapelt werden.

Zusammenfassung

In dieser Arbeit beschreiben wir eine Technik zur Herstellung neuer Kristalle (van der Waals heterostructures) durch Stapeln von deutlichen ultradünnen 2D-Materialien. Wir demonstrieren nicht nur die seitliche Kontrolle, sondern vor allem auch die Kontrolle über die Winkelausrichtung benachbarter Schichten. Der Kern der Technik wird durch ein selbst gebautes Transfer-Setup dargestellt, das es dem Benutzer ermöglicht, die Position der einzelnen Kristalle, die an der Übertragung beteiligt sind, zu steuern. Dies wird mit Submikrometer-Präzision (translational) und Sub-Grad (Winkel) erreicht. Vor dem Stapeln werden die isolierten Kristalle individuell durch kundenspezifische Bewegungsstufen manipuliert, die über eine programmierte Softwareschnittstelle gesteuert werden. Da die gesamte Übertragungseinrichtung computergesteuert ist, kann der Anwender zudem aus der Ferne präzise Heterostrukturen erstellen, ohne direkt mit dem Transfer-Setup in Berührung zu kommen, und diese Technik als "freihändig" kennzeichnen. Neben der Präsentation des Transfer-Setups beschreiben wir auch zwei Techniken zur Vorbereitung der Kristalle, die anschließend gestapelt werden.

Einleitung

Die Forschung auf dem aufkeimenden Gebiet zweidimensionaler (2D) Materialien begann, nachdem Die Forscher eine Technik entwickelt, die die Isolierung von Graphen^1,2,3 (ein atomar flaches Blatt kohlenstoffatomischer) aus grafit. Graphen ist ein Mitglied einer größeren Klasse von geschichteten 2D-Materialien, auch als van der Waals-Materialien oder -Kristallen bezeichnet. Sie haben eine starke kovalente Intralayer-Bindung und eine schwache van der Waals-Interlayer-Kupplung. Daher kann die Technik zur Isolierung von Graphen aus Graphit auch auf andere 2D-Materialien angewendet w....

Protokoll

1. Instrumentierung für das Übertragungsverfahren

1. Um den Übertragungsprozess zu visualisieren, verwenden Sie ein optisches Mikroskop, das unter Hellfeldbeleuchtung arbeiten kann. Da die typischen Größen der 2D-Kristalle 1–500 m²betragen, statten Sie das Mikroskop mit 5x, 50x und 100x langen Arbeitswegobjektiven aus. Das Mikroskop muss auch mit einer Kamera ausgestattet sein, die mit einem Computer verbunden ist (Abbildung 1a).
2. Verwenden Sie separate Manipulatoren, um die Position der beiden Kristalle, die gestapelt werden sollen, individuell zu steuern. Verwenden Sie Manipulatoren, die von einem Computer pro....

Ergebnisse

Zur Veranschaulichung der Ergebnisse und der Wirksamkeit unseres Verfahrens stellen wir eine Abfolge von winkelgesteuerten Stapeln von Rheniumdisulfid (ReS₂) dünnen Kristallen vor. Um zu betonen, dass die beschriebene Methode auch auf atomar dünne Schichten angewendet werden kann, veranschaulichen wir auch die Konstruktion von zwei relativ verdrehten Monolayern aus Molybdändisulfid (MoS₂).

Um die Winkelausr.......

Diskussion

Die hier vorgestellte selbstgebaute Transfereinrichtung bietet eine Methode zum Bau neuartiger geschichteter Materialien mit seitlicher und rotierender Steuerung. Im Vergleich zu anderen Lösungen, die in der Literatur^10,25beschrieben werden, benötigt unser System keine komplexe Infrastruktur, erreicht aber das Ziel der kontrollierten Ausrichtung von 2D-Kristallen.

Der wichtigste Schritt in der Prozedur ist das Ausrichten und Platzieren.......

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
5X Objektiv	Nikon Metrology	MUE12050	23,5 mm Arbeitsabstand und 0,15 numerische Apertur
50X Objektiv	Nikon Metrology	MUE21500	19 mm Arbeitsabstand und 0,4 numerische Apertur
100X Objektiv	Nikon Metrology	MUE21900	4,5 mm Arbeitsabstand und 0,8 numerische Apertur
Aceton	Sigma-Aldrich	270725	Reinheit ≥ 99.90%
Klebeband	Ultron Systems, Inc.
Anisol	MicroChem
Rasterkraftmikroskop	Bruker	Dimension Icon	Wir verwenden in der Regel den ScanAsyst-Modus
Rotationsmanipulator für die Unterstufe	Zaber Technologies	X-RSW60A-PTB2	360 Grad Verfahrweg mit einer Schrittweite von 4.091 μm rad
Unterstufe X Manipulator	Zaber Technologies	X-LSM025A-PTB2	25 mm Verfahrweg mit Schrittweite von 47,625 nm
Unterstufe Y-Manipulator	Zaber Technologies	X-LSM025A-PTB2	25 mm Verfahrweg mit Schrittweite von 47,625 nm
Unterstufe Z-Manipulator	Zaber Technologies	X-VSR40A-KX14A	40 mm Verfahrweg mit Schrittweite von 95,25 nm
Isopropanol	Sigma-Aldrich	563935	Reinheit 99.999
LabVIEW-Software	National Instruments
Macor	McMaster-Carr	8489K238
Mikroskopkamera	Zeiss	426555-0000-000	5 Megapixel, 47 fps Live-Bildrate, Belichtungszeit von 100 μ s - 2 s, Farbkamera
Molybdändisulfid (MoS2)	HQ Graphene
Optical Breadboard	Thorlabs, Inc.	MB4545/M
Optisches Mikroskop	Nikon Metrology	LV150N
Sauerstoff-Plasmaätzer	Plasma Etch, Inc.	PE-50
PDMS-Stempel	Gel-Pak	PF-20-X4
PMMA 950 A6	MichroChem Corp.	M230006 0500L1GL
Polypropylencarbonat	Sigma-Aldrich	389021-100g
PVA Partall #10	Composites Canada
Rheniumdisulfid (ReS2)	HQ Graphen
Si/SiO2 Substrat	Nova Electronics Materials	HS39626-OX
Spin Coater	Laurell Technologies	WS-650-23
Temperaturregler	Auber Instruments	SYL-23X2-24	Regelt die Temperatur der Unterstufe über ein Thermoelement vom Typ J
Steuereinheit für die Oberstufe	Mechonics	CF.030.0003
X-Manipulator für die Oberstufe	Mechonics	MS.030.1800	18 mm Verfahrweg mit einer Schrittweite von 11 nm
Y-Manipulator	für die OberstufeMechonics	MS.030.1800	18 mm Verfahrweg mit Schrittweite von 11 nm
Oberstufe Z Manipulator	Mechonics	MS.030.3000	30 mm Verfahrweg mit Schrittweite von 11 nm
Ultraschallbad	Elma Schmidbauer GmbH	Elmasonic P 30 H