In questo lavoro descriviamo una tecnica che viene utilizzata per creare nuovi cristalli (eterostrutture di Van der Waals) impilando materiali 2D ultrasottili stratificati con un controllo preciso sulla posizione e sull'orientamento relativo.
Articolo metodologico
In questo lavoro descriviamo una tecnica che viene utilizzata per creare nuovi cristalli (eterostrutture di Van der Waals) impilando materiali 2D ultrasottili stratificati con un controllo preciso sulla posizione e sull'orientamento relativo.
In questo lavoro descriviamo una tecnica per la creazione di nuovi cristalli (eterostrutture van der Waals) impilando materiali 2D a strati ultrasottili distinti. Dimostriamo non solo il controllo laterale, ma, soprattutto, anche il controllo sull'allineamento angolare dei livelli adiacenti. Il nucleo della tecnica è rappresentato da una configurazione di trasferimento costruita in casa che consente all'utente di controllare la posizione dei singoli cristalli coinvolti nel trasferimento. Ciò si ottiene con la precisione sottomicrometro (traslazionale) e sottogrado (angolare). Prima di impilarli insieme, i cristalli isolati vengono manipolati individualmente da fasi mobili progettate su misura che sono controllate da un'interfaccia software programmata. Inoltre, poiché l'intera configurazione di trasferimento è controllata dal computer, l'utente può creare da remoto eterostrutture precise senza entrare in contatto diretto con l'impostazione del trasferimento, etichettando questa tecnica come "viva a mani libere". Oltre a presentare il set-up di trasferimento, descriviamo anche due tecniche per la preparazione dei cristalli che vengono successivamente impilati.
La ricerca nel campo in crescita dei materiali bidimensionali (2D) è iniziata dopo che i ricercatori hanno sviluppato una tecnica che ha permesso l'isolamento del grafene1,2,3 (un foglio atomicamente piatto di atomi di carbonio) da grafite f. Il grafene è membro di una classe più ampia di materiali 2D stratificati, chiamati anche materiali o cristalli di van der Waals. Hanno un forte legame intralayer covalente e un debole accoppiamento tra interlayer van der Waals. Pertanto, la tecnica per isolare il grafene dalla grafite può essere applicata anche ad altri materiali 2D in cui si possono rompere i deboli legami interstrato e isolare singoli strati. Uno sviluppo chiave nel campo è stata la dimostrazione che, proprio come i legami van der Waals che tengono insieme strati adiacenti di materiali bidimensionali possono essere rotti, possono anche essere rimessi insieme2,4. Pertanto, i cristalli di materiali 2D possono essere creati impilando in modo controllabile strati di materiali 2D con proprietà distinte. Questo ha suscitato un grande interesse, come materiali precedentemente inesistenti in natura possono essere creati con l'obiettivo di scoprire sia fenomeni fisici precedentemente inaccessibili4,5,6,7 ,8,9 o lo sviluppo di dispositivi di qualità superiore per applicazioni tecnologiche. Pertanto, avere un controllo preciso sull'impilamento di materiali 2D è diventato uno degli obiettivi principali nel campo della ricerca10,11,12.
In particolare, l'angolo di torsione tra gli strati adiacenti nelle eterostrutture di van der Waals è stato indicato come un parametro importante per il controllo delle proprietà del materiale13. Ad esempio, ad alcuni angoli, l'introduzione di una torsione relativa tra strati adiacenti può effettivamente disaccoppiare elettronicamente i due strati. Questo è stato studiato sia nel grafene14,15 così come in transizione metallo dichalcogenides16,17,18,19. Più recentemente, è stato sorprendentemente trovato che può anche alterare lo stato di materia di questi materiali. La scoperta che il grafene bistrato orientato ad un "angolo magico" si comporta come un isolante Mott a basse temperature e anche un superconduttore quando la densità degli elettroni è correttamente sintonizzata ha suscitato grande interesse e una realizzazione dell'importanza del controllo angolare durante la fabbricazione di eterostrutture a strati van der Waals13,20,21.
Motivati dalle opportunità scientifiche aperte dall'idea di accordare le proprietà dei nuovi materiali di van der Waals regolando l'orientamento relativo tra gli strati, presentiamo uno strumento costruito in casa insieme alla procedura per creare tali strutture con controllo angolare.
Accesso limitato. Accedi o avvia una prova gratuita per visualizzare questo contenuto.
1. Strumentazione per la procedura di trasferimento
2. Esfoliazione meccanica di un cristallo 2D.
3. Metodo PMMA-PVA per la fabbricazione di eterostrutture van der Waals (preparazione del substrato superiore).
4. Metodo di stampaggio Polydimethylsiloxane (PDMS) per la fabbricazione di eterostrutture van der Waals (preparazione del substrato superiore).
5. Trasferimento dei fiocchi dal substrato superiore al substrato inferiore utilizzando il metodo PMMA-PVA (Figura3e-h).
6. Trasferimento dei fiocchi dal substrato superiore al substrato inferiore utilizzando il metodo di stampaggio (Figura 4d-f).
Accesso limitato. Accedi o avvia una prova gratuita per visualizzare questo contenuto.
Per illustrare i risultati e l'efficacia della nostra procedura vi presentiamo una sequenzadi pile controllate dall'angolo di cristalli sottili di lenodo di tenio (ReS 2). Per sottolineare che il metodo descritto può essere applicato anche a strati atomicamente sottili, esemplifichiamo anche la costruzione di due monostrati relativamente contorti di molybdenum disulfide (MoS2).
Per dimostrare le capacità di...
Accesso limitato. Accedi o avvia una prova gratuita per visualizzare questo contenuto.
L'impostazione di trasferimento casalinga qui presentata offre un metodo per la costruzione di nuovi materiali stratificati con controllo laterale e rotazionale. Rispetto ad altre soluzioni descritte nella letteratura10,25, il nostro sistema non richiede infrastrutture complesse, ma raggiunge l'obiettivo di allineamento controllato di cristalli 2D.
La fase più critica della procedura è quella di allineare e posizionare il cristallo sup...
Accesso limitato. Accedi o avvia una prova gratuita per visualizzare questo contenuto.
Gli autori non hanno nulla da rivelare. Gli autori non hanno interessi finanziari concorrenti.
Gli autori riconoscono i finanziamenti dell'Università di Ottawa e della NSERC Discovery grant RGPIN-2016-06717 e NSERC SPG QC2DM.
Accesso limitato. Accedi o avvia una prova gratuita per visualizzare questo contenuto.
| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| Obiettivo 5X | Nikon Metrology | MUE12050 | una distanza di lavoro di 23,5 mm e un'apertura numerica di 0,15 |
| Obiettivo 50X | Nikon Metrology | MUE21500 | una distanza di lavoro di 19 mm e un'apertura numerica di 0,4 |
| Obiettivo 100X | Nikon Metrology | MUE21900 | una distanza di lavoro di 4,5 mm e un'apertura numerica di 0,8 |
| Acetone | Sigma-Aldrich | 270725 | Purezza ≥ 99.90% |
| Nastro adesivo | Ultron Systems, Inc. | ||
| Anisolo | MicroChem | ||
| Microscopio a forza atomica | Bruker | Dimensione Icona | Usiamo tipicamente la modalità ScanAsyst |
| Manipolatore di rotazione dello stadio inferiore | Zaber Technologies | X-RSW60A-PTB2 | Corsa a 360 gradi con passo di 4.091 μ rad |
| Manipolatore X stadio inferiore | Zaber Technologies | X-LSM025A-PTB2 | corsa 25 mm con passo di 47,625 nm |
| Manipolatore Y stadio inferiore | Zaber Technologies | X-LSM025A-PTB2 | corsa 25 mm con passo di 47,625 nm |
| Manipolatore Z stadio inferiore | Zaber Technologies | X-VSR40A-KX14A | Corsa 40 mm con passo di 95,25 nm |
| Isopropanolo | Sigma-Aldrich | 563935 | Purity 99.999%Software |
| LabVIEW | National Instruments | ||
| Macor | McMaster-Carr | 8489K238 | |
| Fotocamera per microscopio | Zeiss | 426555-0000-000 | 5 megapixel, 47 fps live frame rate, tempo di esposizione di 100 &; s - 2 s, fotocamera a colori |
| Solfuro di molibdeno (MoS2) | HQ Breadboard ottica in grafene | ||
| Thorlabs, Inc. | MB4545/M | ||
| Microscopio ottico | Nikon Metrology | LV150N | |
| Incisore al plasma di ossigeno | Plasma Etch, Inc. | Timbro PE-50 | |
| PDMS | Gel-Pak | PF-20-X4 | |
| PMMA 950 A6 | MichroChem Corp. | M230006 0500L1GL | |
| Carbonato di polipropilene | Sigma-Aldrich | 389021-100g | |
| PVA Partall #10 | Composites Canada | ||
| Renio disolfuro (ReS2) | HQ Grafene | ||
| Si/SiO2 substrato | Nova Electronics Materials | HS39626-OX | |
| Spin coater | Laurell Technologies | WS-650-23 | |
| Regolatore di temperatura | Auber Instruments | SYL-23X2-24 | Controlla la temperatura dello stadio inferiore tramite una termocoppia di tipo J |
| Unità di controllo dello stadio superiore | Mechonics | CF.030.0003 | |
| Manipolatore X dello stadio superiore | Mechonics | MS.030.1800 | Corsa di 18 mm con passo di 11 nm |
| Manipolatore | a Y dello stadio superioreMechonics | MS.030.1800 | corsa 18 mm con passo di 11 nm |
| Stadio superiore Manipolatore Z | Mechonics | MS.030.3000 | corsa 30 mm con passo di 11 nm |
| Bagno a ultrasuoni | Elma Schmidbauer GmbH | Elmasonic P 30 H |
Accesso limitato. Accedi o avvia una prova gratuita per visualizzare questo contenuto.
Richiedi il permesso di riutilizzare il testo o le figure di questo articolo JoVE
Richiedi permesso