Optimiertes Herstellungsverfahren für hochwertige Graphen-basierte Moiré-Superlattice-Bauelemente

Unsere Forschung konzentriert sich auf die quantenelektronischen Eigenschaften zweidimensionaler Materialien und ihrer Heterostrukturen mit dem Ziel, neue Quantenphänomene zu entdecken und zu untersuchen und neuartige elektronische Bauelemente zu entwickeln. Wir waren Vorreiter auf dem Gebiet des Spiraldrehens, bei dem sich die Eigenschaften der Heterostrukturen zweidimensionaler Materialien in Abhängigkeit vom Winkel zwischen den Schichten ändern. Die einflussreichste Entdeckung war die Superkonnektivität in der magischen Angiographie.

Das Erreichen eines präzisen Verdrehungswinkels bleibt aufgrund der Dehnungsstörung des Heizers und der Gitterrelaxation, die während des Nanofabrikationsprozesses eingeführt werden, eine Herausforderung, was oft dazu führt, dass Homogenität erreicht und die Reproduzierbarkeit über Proben hinweg eingeschränkt wird. Dieses Protokoll spiegelt unsere Erfahrung bei der Optimierung jedes Herstellungsschritts wider, um die Gleichmäßigkeit und Ausbeute zu verbessern und mehr Forschern die zuverlässige Herstellung hochwertiger Graphen-Moiré-Geräte zu ermöglichen und den Fortschritt in diesem Bereich zu beschleunigen.

[Erzähler] Platzieren Sie zunächst einen Graphenwafer auf dem Probentisch des Transferaufbaus, der mit einem Superkontinuumslaser integriert ist. Verwenden Sie die Option Durchblick, um das Inkscape-Fenster halbtransparent zu machen, während es über dem Kamerafenster schwebt. Verwenden Sie die Funktion zum Zeichnen von BZA-Kurven und geraden Linien in Inkscape, um die Graphengrenze und die geplanten Laserschneidlinien zu skizzieren. Schalten Sie nun den Laser ein und erhöhen Sie die Intensität, bis der Strahlfleck sichtbar ist. Passen Sie den Probentisch so an, dass der Strahlfleck mit dem Beginn einer geplanten Laserschneidlinie ausgerichtet ist. Bewegen Sie anschließend den Probentisch, um den Strahlpunkt entlang der geplanten Laserschneidlinie zu führen. Überprüfen Sie nach dem Nullstellen der Laserintensität die Laserschneidlinie. Wiederholen Sie die Schritte, bis alle geplanten Linien lasergeschnitten sind. Um die obere sechseckige Bornitrit-Flocke aufzunehmen, passen Sie die Ausrichtung der Flocke an, bis die gerade Kante vertikal ist und auf der rechten Seite positioniert ist. Klemmen Sie den Objektträger mit dem PC- und PDMS-Stempel vorsichtig in einem Neigungswinkel von zwei bis drei Grad nach unten in die Steckdose. Schieben Sie den Sockel mit dem Schiebetablett nach links, bis der Glasschieber über dem Probenwafer positioniert ist, und verriegeln Sie ihn dann manuell. Nachdem Sie die Temperatur des Probentisches auf 50 Grad Celsius eingestellt haben, rasten Sie den Glasschieber mit dem Z-Richtungsantrieb nach unten ein. Fokussieren Sie das Mikroskop auf die Polycarbonatfolie und prüfen Sie die Oberflächenreinheit. Bewegen Sie die hexagonale Bornitrid-Flocke in den ausgewählten sauberen Bereich und rasten Sie den Schieber weiter nach unten ein. Bringen Sie nun den Stempel mit einer Geschwindigkeit von fünf Mikrometern pro Sekunde auf den Wafer, bis er die hexagonale Bornitrid-Flocke vollständig bedeckt, und stellen Sie dann die Temperatur des Probentisches auf 80 Grad Celsius ein. Nachdem die Temperatur des Probentisches 80 Grad Celsius erreicht hat, lösen Sie den Stempel mit fünf Mikrometern pro Sekunde, bis sich die Wellenfront in der Nähe des hexagonalen Bornitrit-Geraden befindet, und nehmen Sie dann die Flocke mit einer reduzierten Geschwindigkeit von zwei Mikrometern pro Sekunde auf. Erhöhen Sie nach der Aufnahme die Geschwindigkeit auf fünf Mikrometer pro Sekunde, um die Polycarbonatfolie vom Wafer zu lösen. Schalten Sie die Bühnenheizung aus und öffnen Sie die Wasserkühlung. Wenn die Temperatur unter 45 Grad Celsius fällt, schließen Sie die Wasserkühlung. Lösen Sie den Glasschieber mit einem Millimeter pro Sekunde ganz nach oben. Platzieren Sie den Wafer mit dem frisch lasergeschnittenen Graphen auf dem Probentisch und lokalisieren Sie das Graphen mit dem 10X-Objektiv. Passen Sie die Flockenausrichtung so an, dass die Laserschneidlinien parallel zur sechseckigen Bornitrid-Geraden verlaufen. Skizzieren Sie die Graphengrenze in Inkscape, einschließlich der Laserschneidlinien. Bewegen Sie nun den Glasobjektträger mit der oberen hexagonalen Bornitrid-Flocke mit dem PC- und PDMS-Stempel zwei Millimeter über dem Graphenwafer in die voreingerastete Position. Richten Sie die gerade Kante der Flocken an der Mitte der lasergeschnittenen Linie aus, um das sechseckige Bornitrid mit der Graphenzeichnung abzugleichen. Stimmen Sie das Mikroskop so ein, dass es auf das Graphen fokussiert ist, und richten Sie es auf seine Inkscape-Zeichnung aus. Fokussieren Sie sich dann auf die obere Flocke und bewegen Sie den Glasschieber in XY-Richtung, um ihn an seiner Zeichnung auszurichten. Nach der erneuten Fokussierung auf eine Fokusebene, die etwas höher als das vorgestanzte Graphen ist, rasten Sie den Glasschlitten mit 0,1 Millimetern pro Sekunde nach unten ein, bis die obere Flocke in den Fokus kommt. Fokussieren Sie sich erneut auf das Graphen und stellen Sie die Geschwindigkeit auf fünf Mikrometer pro Sekunde ein. Rasten Sie den Stempel langsam ein, bis die Flocke grob sichtbar wird, und stellen Sie sicher, dass kein Kontakt mit dem Wafer besteht. Rasten Sie mit dem Stempel nach unten fort, bis er den Wafer berührt. Schalten Sie den Stempel mit 0,5 Mikrometern pro Sekunde ein, bis sich die Wellenfront nahe dem linken Rand der Flocke befindet. Reduzieren Sie die Geschwindigkeit um 0,02 Mikrometer pro Sekunde und setzen Sie den Eingriff fort, um das erste Graphenstück zu kontaktieren. Sobald die Flocke das erste Graphenstück vollständig bedeckt und an der geraden Kante festgesteckt ist, stoppen Sie den Eingriff. Klare Hysterese, indem der Tisch mit fünf Mikrometern pro Sekunde nach oben bewegt wird, bis sich die Wellenfront zurückzuziehen beginnt. Stellen Sie eine Ausrückgeschwindigkeit von 0,02 Mikrometern pro Sekunde ein, um das Graphen sanft aufzunehmen. Wenn sich die Wellenfront von der Flocke weg bewegt, erhöhen Sie die Geschwindigkeit auf fünf Mikrometer pro Sekunde, um den Stempel vollständig vom Wafer zu lösen. Kopieren Sie nun die gesamte Graphenzeichnung in Inkscape und drehen Sie sie um den gewünschten Drehwinkel. Richten Sie das zweite Graphen-Stück in der Kopierzeichnung am ersten Teil in der Originalzeichnung aus, um die Überlappung zu maximieren. Drehen Sie die Probe um den gewünschten Drehwinkel. Richten Sie das verbleibende Graphen auf dem Wafer an der kopierten Zeichnung aus. Fokussieren Sie sich auf die obere sechseckige Bornitrid-Flocke auf dem Glasobjektträger und richten Sie sie an der Zeichnung aus. Nachdem Sie die Flocken an den Zeichnungen ausgerichtet haben, wiederholen Sie die gezeigten Schritte, um das verbleibende Graphen aufzunehmen. Untersuchen Sie nach dem Aufnehmen die Qualität des oberen Stapels unter dem Mikroskop. Platzieren Sie den Wafer mit dem vorgereinigten, blasenfreien unteren Gate auf dem Probentisch. Umreißen Sie die Begrenzung des unteren Tors mit Inkscape. Richten Sie die Zeichnung des oberen Stapels an der des unteren Anschnitts aus, um das verdrillte Doppelschicht-Graphen auf dem Graphitfinger zu platzieren. Stellen Sie die Temperatur des Probentisches auf 160 Grad Celsius ein, um die Polycarbonatfolie nach dem Verkapseln abzureißen, laden Sie dann den Objektträger mit dem oberen Stapel und bringen Sie ihn in die voreingerastete Position. Richten Sie sowohl das untere Tor als auch den oberen Stapel grob an den Zeichnungen aus. Fokussieren Sie auf das untere Tor und heben Sie dann die Fokusebene leicht an. Identifizieren Sie eine weitere mittlere Fokusebene zwischen dem unteren Gate und dem oberen Stack, stellen Sie dann die Geschwindigkeit auf fünf Mikrometer pro Sekunde ein und aktivieren Sie den Stempel, bis der obere Stack sichtbar ist. Richten Sie beide genau an den Zeichnungen aus. Wenn der Probentisch über 150 Grad Celsius liegt, aktivieren Sie den Stempel mit fünf Mikrometern pro Sekunde, bis sich die Wellenfront in der Nähe des unteren Gates befindet, und reduzieren Sie dann die Geschwindigkeit auf 0,5 Mikrometer pro Sekunde. Greifen Sie den oberen Stapel langsam in den unteren Schieber ein. Sobald die Wellenfront den oberen Stack passiert hat, erhöhen Sie die Geschwindigkeit wieder auf fünf Mikrometer pro Sekunde, um den Stempel vollständig auf dem Wafer zu aktivieren, und lösen Sie den Stempel dann mit fünf Mikrometern pro Sekunde. Nachdem Sie den Stempel vollständig vom Wafer getrennt haben, heben Sie den Stempel drei Sekunden lang mit fünf Mikrometern pro Sekunde nach oben. Beginnen Sie, es in XY-Richtung zu bewegen, um die Polycarbonatfolie abzureißen. Lösen Sie den Glasschieber mit einem Millimeter pro Sekunde vollständig und nehmen Sie ihn aus der Fassung. Schalten Sie die Bühnenheizung aus und aktivieren Sie die Wasserkühlung. Sobald die Temperatur auf Raumtemperatur gesunken ist, entfernen Sie den Wafer und untersuchen Sie ihn unter einem optischen Mikroskop. Vierfach degenerierte Land-Out-Lüfter traten sowohl aus dem Ladungsneutralitätspunkt als auch aus den Supergitterlücken in dem hochwertigen, verdrillten Doppelschicht-Graphen-Baustein mit magischem Winkel hervor und zerfielen bei höheren Magnetfeldern in zweifache oder einfache Entartungen. Bei halben Füllzuständen wurden doppelt gebrochene symmetriegebrochene Landout-Ventilatoren identifiziert, was auf ein korreliertes Isolationsverhalten hinweist. Die supraleitende Kuppel befand sich unter dem Land-Out-Ventilator um den halb gefüllten Zustand. Temperaturabhängige Widerstandsmessungen zeigten zwei supraleitende Kuppeln auf beiden Seiten des halben Füllzustands, wobei die maximale kritische Temperatur etwa 1,7 Kelvin erreichte. Bei 14 gemessenen Geräten erreichte die optimale kritische Temperatur ihren Höhepunkt bei einem Verwindungswinkel von nahe 1,08 Grad, was mit theoretischen Vorhersagen übereinstimmt. Ungeordnete Bauelemente in der Nähe des magischen Winkels wiesen im Vergleich zu hochwertigen Bauelementen deutlich reduzierte kritische Temperaturen auf, was sich in ihren Widerstands-Temperatur-Profilen zeigt. Diese Beobachtungen unterstreichen, wie wichtig es ist, das Herstellungsverfahren zu optimieren, um qualitativ hochwertige Moiré-Supergitterbauelemente auf Graphenbasis zu erhalten.