הליך ייצור אופטימלי עבור התקני Moiré Superlattice מבוססי גרפן באיכות גבוהה

המחקר שלנו מתמקד בתכונות האלקטרוניות הקוונטיות של חומרים דו-ממדיים והמבנים ההטרו-ממדיים שלהם, במטרה לגלות ולחקור תופעות קוונטיות חדשות ולפתח מכשירים אלקטרוניים חדשים. היינו חלוצים בתחום סיבובי הפיתול, שבו התכונות של המבנים ההטרו-ממדיים של חומרים דו-ממדיים משתנות כפונקציה של הזווית בין השכבות. התגלית המשפיעה ביותר הייתה קישוריות-על באנגיוגרפיה קסומה.

השגת זווית פיתול מדויקת נותרה מאתגרת עקב הפרעת מתח החימום והרפיית הסריג שהוכנסה במהלך תהליך הננו-פבריקציה, מה שמוביל לעתים קרובות לתכנון הומוגניות ולהגבלת השחזור על פני דגימות. פרוטוקול זה משקף את הניסיון שלנו באופטימיזציה של כל שלב ייצור כדי לשפר את האחידות והתפוקה, מה שמאפשר לחוקרים נוספים לבנות באופן אמין התקני גרפן מואר באיכות גבוהה, ולהאיץ את ההתקדמות בתחום זה.

[קריין] כדי להתחיל, הנח פרוסת גרפן על שלב הדגימה של מערך ההעברה, משולב עם לייזר סופר רציף. השתמש בהצצה כדי להפוך את חלון Inkscape לשקוף למחצה תוך כדי ציפה מעל חלון המצלמה. השתמש בפונקציית ציור עקומות BZA וקווים ישרים ב-Inkscape כדי לשרטט את גבול הגרפן ואת קווי חיתוך הלייזר המתוכננים. כעת הפעל את הלייזר והגביר את העוצמה עד שנקודת הקרן נראית לעין. התאם את הדגימהtagה כדי ליישר את נקודת האלומה עם תחילתו של קו חיתוך לייזר מתוכנן. לאחר מכן, הזז את שלב הדגימה כדי להנחות את נקודת הקרן לאורך קו חיתוך הלייזר המתוכנן. לאחר אפס עוצמת הלייזר, בדוק את קו חיתוך הלייזר. חזור על השלבים עד שכל הקווים המתוכננים ייחתכו בלייזר. כדי להרים את פתית הניטריט המשושה העליון, התאם את כיוון הפתית עד שהקצה הישר יהיה אנכי וממוקם בצד ימין. מהדק בעדינות את שקופית הזכוכית עם חותמת המחשב וה-PDMS בתוך השקע בזווית הטיה כלפי מטה של שתיים עד שלוש מעלות. החלק את השקע שמאלה באמצעות מגש ההזזה עד שמגלשת הזכוכית ממוקמת מעל רקיק הדגימה, ולאחר מכן נעל אותה ידנית במקומה. לאחר הגדרת הדגימהtagטמפרטורת הטמפרטורה ל-50 מעלות צלזיוס, הפעל את מגלשת הזכוכית כלפי מטה באמצעות מפעיל כיוון Z. מקדו את המיקרוסקופ על סרט הפוליקרבונט ובדקו את ניקיון פני השטח. העבר את פתית הבורון ניטריד המשושה לאזור הנקי שנבחר וחבר את המגלשה עוד יותר כלפי מטה. כעת חבר את החותמת על הוופל במהירות של חמישה מיקרומטר לשנייה, עד שהוא מכסה לחלוטין את פתית הבורון ניטריד המשושה, ואז הגדר את טמפרטורת שלב הדגימה ל-80 מעלות צלזיוס. לאחר שטמפרטורת שלב הדגימה מגיעה ל-80 מעלות צלזיוס, נתק את החותמת בחמישה מיקרומטר לשנייה עד שחזית הגל קרובה לקצה הישר של בורון ניטריט משושה, ואז הרם את הפתית במהירות מופחתת של שני מיקרומטר לשנייה. לאחר האיסוף, הגדל את המהירות לחמישה מיקרומטר לשנייה כדי לנתק את סרט הפוליקרבונט מהרקיק. כבה את ה-stagדוד ופתח את מערכת קירור המים. כאשר הטמפרטורה יורדת מתחת ל-45 מעלות צלזיוס, סגור את מערכת קירור המים. נתק את מגלשת הזכוכית עד הסוף במהירות של מילימטר אחד לשנייה. הנח את הוופל עם הגרפן הטרי שנחתך בלייזר על שלב הדגימה, ואתר את הגרפן באמצעות המטרה פי 10. התאם את כיוון הפתית כך שקווי חיתוך הלייזר יהיו מקבילים לקצה הישר של בורון ניטריד המשושה. מתאר את גבול הגרפן ב-Inkscape, כולל קווי חיתוך הלייזר. כעת העבר את מגלשת הזכוכית עם פתית הבורון ניטריד המשושה העליון למצב המעורב מראש עם חותמת המחשב וה-PDMS שני מילימטרים מעל פרוסת הגרפן. יישר את הקצה הישר של הפתית עם מרכז קו חיתוך הלייזר כדי להתאים את הבורון ניטריד המשושה לציור הגרפן. כוונן את המיקרוסקופ כדי להתמקד בגרפן וליישר אותו לציור הדיו שלו. לאחר מכן התמקד בנתז העליון והזז את שקופית הזכוכית בכיוון XY כדי ליישר אותה לציור שלה. לאחר התמקדות מחדש במישור מוקד מעט גבוה יותר מהגרפן החתוך מראש, הפעל את מגלשת הזכוכית כלפי מטה במהירות של 0.1 מילימטר לשנייה עד שהפתית העליון נכנס לפוקוס. התמקדו מחדש בגרפן, והגדירו את המהירות לחמישה מיקרומטר לשנייה. הפעל את החותמת לאט עד שהפתית נראה בערך תוך הקפדה על מניעת מגע עם הוופל. המשך להפעיל את החותמת כלפי מטה עד שהיא נוגעת בפרוסת. הפעל את החותמת במהירות של 0.5 מיקרומטר לשנייה עד שחזית הגל קרובה לקצה השמאלי של הפתית. הפחת את המהירות ב-0.02 מיקרומטר לשנייה, והמשך במעורבות כדי ליצור קשר עם פיסת הגרפן הראשונה. לאחר שהפתית מכסה במלואו את פיסת הגרפן הראשונה ומוצמד לקצה הישר, הפסק את האירוסים. נקה היסטרזיס על ידי הזזת הבמה כלפי מעלה במהירות של חמישה מיקרומטר לשנייה עד שחזית הגל מתחילה לסגת. הגדר מהירות ניתוק של 0.02 מיקרומטר לשנייה כדי להרים את הגרפן בעדינות. כאשר חזית הגל התרחקה מהפתית, הגדל את המהירות לחמישה מיקרומטר לשנייה כדי לנתק לחלוטין את החותמת מהרקיק. כעת העתק את כל ציור הגרפן ב-Inkscape, וסובב אותו בזווית הפיתול הרצויה. יישר את חתיכת הגרפן השנייה בציור העותק עם החלק הראשון בשרטוט המקורי כדי למקסם את החפיפה. סובב את הדגימה בזווית הפיתול הרצויה. יישר את הגרפן שנותר על הפרוסה לציור המועתק. התמקד בפתית הבורון ניטריד המשושה העליון על מגלשת הזכוכית ויישר אותו לציור. לאחר יישור הפתיתים לשרטוטים, חזור על השלבים המודגמים כדי לאסוף את הגרפן שנותר. לאחר האיסוף, בדוק את איכות הערימה העליונה מתחת למיקרוסקופ. הנח את הוופל עם השער התחתון הנקי מראש ונטול הבועות על הדגימהtagה. מתאר את גבול השער התחתון באמצעות Inkscape. יישר את הציור של הערימה העליונה לזה של השער התחתון כדי למקם את הגרפן הדו-שכבתי המעוות על אצבע הגרפיט. הגדר את טמפרטורת שלב הדגימה ל-160 מעלות צלזיוס כדי לקרוע את סרט הפוליקרבונט לאחר האנקפסולציה, ולאחר מכן טען את מגלשת הזכוכית עם הערימה העליונה, והעבר אותה למצב המחובר מראש. יישר באופן גס גם את השער התחתון וגם את הערימה העליונה לציורים. התמקד בשער התחתון, ואז הרם מעט את מישור המוקד. זהה מישור מוקד אמצעי נוסף בין השער התחתון לערימה העליונה, ולאחר מכן הגדר את המהירות לחמישה מיקרומטר לשנייה, והפעל את החותמת עד שהערימה העליונה נראית לעין. יישר את שניהם לציורים בצורה מדויקת. כאשר שלב הדגימה הוא מעל 150 מעלות צלזיוס, הפעל את החותמת במהירות של חמישה מיקרומטר לשנייה עד שחזית הגל קרובה לשער התחתון, ולאחר מכן הפחת את המהירות ל-0.5 מיקרומטר לשנייה. חבר לאט את הערימה העליונה על השער התחתון. ברגע שחזית הגל עוברת את הערימה העליונה, הגדל את המהירות בחזרה לחמישה מיקרומטר לשנייה כדי לחבר את החותמת במלואה על הוופל, ולאחר מכן נתק את החותמת בחמישה מיקרומטר לשנייה. לאחר הפרדה מלאה של החותמת מהרקיק, הרם את החותמת כלפי מעלה למשך שלוש שניות במהירות של חמישה מיקרומטר לשנייה. התחל להזיז אותו בכיווני XY כדי לקרוע את סרט הפוליקרבונט. נתק לחלוטין את מגלשת הזכוכית במילימטר אחד לשנייה והסר אותה מהשקע. כבה את ה-stagדוד והפעל את מערכת קירור המים. לאחר שהטמפרטורה יורדת לטמפרטורת החדר, הסר את הוופל ובדוק במיקרוסקופ אופטי. מאווררי קרקע מנוונים פי ארבעה הגיחו הן מנקודת ניטרליות המטען והן מפערי סריג סופר במכשיר הגרפן הדו-שכבתי המעוות בזווית הקסם האיכותית, והתפרקו לניוון כפול או חד פעמי בשדות מגנטיים גבוהים יותר. סימטריה שבורה פעמיים מאווררי קרקע מנוונים זוהו במצבי מילוי למחצה, מה שמעיד על התנהגות בידוד מתואמת. הכיפה המוליכה-על הייתה ממוקמת מתחת למאוורר היבשה סביב מצב חצי מילוי. מדידות התנגדות תלויות טמפרטורה חשפו שתי כיפות מוליכות-על משני צידי מצב המילוי למחצה, כאשר הטמפרטורה הקריטית המקסימלית הגיעה לכ-1.7 קלווין. מבין 14 מכשירים שנמדדו, הטמפרטורה הקריטית האופטימלית הגיעה לשיא בזווית פיתול הקרובה ל-1.08 מעלות, בהתאם לתחזיות התיאורטיות. התקנים לא מסודרים ליד זווית הקסם הציגו טמפרטורות קריטיות מופחתות משמעותית בהשוואה להתקנים באיכות גבוהה, כפי שניתן לראות בפרופילי ההתנגדות שלהם לעומת הטמפרטורה. תצפיות אלו מדגישות את החשיבות של אופטימיזציה של הליך הייצור להשגת התקני סריג סופר Moire מבוססי גרפן באיכות גבוהה.