Articolo metodologico

Procedura di fabbricazione ottimizzata per dispositivi Moiré Superlattice a base di grafene di alta qualità

DOI:

10.3791/68230

⸱

11 luglio 2025

 , 
1Department of Physics, Massachusetts Institute of Technology

In questo articolo

Sommario

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Questo articolo presenta un protocollo ottimizzato e basato sull'esperienza per la fabbricazione di dispositivi superreticolo moiré a base di grafene di alta qualità con angoli di torsione precisi, utilizzando una tecnica di trasferimento a secco modificata basata su una configurazione di trasferimento personalizzata altamente sintonizzabile.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

I superreticoli moiré costituiscono una piattaforma versatile per studiare i fenomeni emergenti derivanti dall'interazione di correlazioni forti e topologia, offrendo al contempo una sintonizzabilità flessibile in situ. Tuttavia, la fabbricazione di tali superreticoli moiré è impegnativa. È difficile ottenere dispositivi altamente uniformi con un angolo di torsione preciso a causa dell'introduzione involontaria di eterodeformazione, disturbo dell'angolo di torsione e rilassamento angolo/reticolo durante il processo di nanofabbricazione. Questo articolo introduce un protocollo ottimizzato e basato sull'esperienza per la fabbricazione di dispositivi superreticolo moiré di alta qualità a base di grafene, concentrandosi su una tecnica di trasferimento a secco modificata. Il processo di trasferimento viene eseguito in una configurazione di trasferimento altamente sintonizzabile e personalizzata che consente un controllo preciso della posizione, dell'angolo e della temperatura. Combinando rigorosi criteri di selezione delle scaglie, cancelli inferiori pre-puliti e privi di bolle e ablazione laser con grafene, il superreticolo moiré è costruito sovrapponendo deliberatamente scaglie di grafene attorcigliate a una velocità inferiore al micron a temperatura ambiente. Grazie a un controllo preciso del processo di trasferimento, i dispositivi superreticolari in grafene moiré risultanti mostrano un'elevata uniformità e gli angoli di torsione desiderati. Questo protocollo ottimizzato affronta le sfide esistenti nella fabbricazione di dispositivi superreticolari moiré a base di grafene e apre la strada a ulteriori progressi nel campo in rapida evoluzione dei materiali moiré.

Introduzione

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Una forza trainante chiave della moderna fisica della materia condensata è la combinazione di forti correlazioni e topologia in un unico sistema fisico sintonizzabile. Dalla scoperta degli stati isolanti correlati1 e della superconduttività2 nel grafene a doppio strato ritorto ad angolo magico (MATBG), le sue notevoli proprietà hanno stimolato un numero crescente di studi sui materiali moiré3. Negli ultimi anni, è stata costruita e studiata una varietà di superreticoli moiré a base di grafene. Questo campo in rapida crescita ha rivelato una ricchezza di fenomeni emergenti, tra cui, a titolo esemplificativo ma non esaustivo, isolanti esotici correlati 4,5,6,7,8,9, superconduttività non convenzionale 10,11,12,13,14, nematicità15 e ferromagnetismo orbitale16,17,18.

La ricca fisica svelata in questi superreticoli moiré di grafene beneficia dell'inedita sintonizzabilità in situ offerta dai piccoli angoli di torsione tra gli strati di grafene. Nel frattempo, è anche influenzato dalle incertezze derivanti da questo grado di libertà aggiuntivo dell'angolo di torsione. L'angolo di torsione viene creato sovrapponendo due scaglie di grafene con una rotazione relativa dei loro assi di cristallo. Per ottenere il regime dell'angolo magico (1°-1,2°), in cui le correlazioni giocano un ruolo dominante, è imperativo controllare con precisione l'angolo di torsione con una precisione inferiore a 0,1°. Tuttavia, durante la procedura di fabbricazione, possono essere introdotti vari fattori dannosi, come l'eteroceppo19,20, il disturbo dell'angolo di torsione 21,22,23 e il rilassamento del reticolo24,25, tra gli altri. L'uso di scaglie imperfette o il mancato controllo della velocità di raccolta del grafene può causare uno sforzo eccessivo e un disordine angolare. Poiché la configurazione dell'angolo di torsione piccolo non è lo stato fondamentale termodinamico, l'incorporazione di processi di trasferimento ad alta temperatura non necessari aumenta il rischio di rilassamento reticolare indesiderato. Questi fattori riducono il tasso di successo della fabbricazione di dispositivi superreticolari in grafene moiré e sono particolarmente importanti nel regime dell'angolo magico. Esse pongono sfide sperimentali significative26 per i ricercatori in questo campo, rendendo difficile ottenere dispositivi con l'angolo di torsione desiderato o persino riprodurre i risultati delle misurazioni precedenti.

In questo articolo, con l'obiettivo di alleviare le sfide di cui sopra, viene presentato un protocollo ottimizzato, informato sull'esperienza e passo dopo passo per la fabbricazione di dispositivi superreticolo moiré a base di grafene di alta qualità. Basato su una tecnica di trasferimento a secco modificata27,28, il processo di trasferimento viene eseguito utilizzando una configurazione di trasferimento altamente sintonizzabile e personalizzata con controllo preciso di posizione, angolo e temperatura. Al centro di questo protocollo ci sono rigorosi criteri di selezione delle scaglie, cancelli inferiori pre-puliti e privi di bolle, ablazione laser con grafene e, soprattutto, un prelievo regolare delle scaglie di grafene pretagliate a una velocità inferiore al micron a temperatura ambiente. Oltre a questi aspetti cruciali, vengono discussi anche fattori minori che possono influenzare i risultati sperimentali. Anche se il protocollo presentato utilizza il grafene a doppio strato ritorto come esempio, è applicabile a tutti i tipi di strutture superreticolari moiré a base di grafene. Il flusso di lavoro dettagliato mira a migliorare l'accessibilità alla fabbricazione di dispositivi superreticolo moiré in grafene di alta qualità per la più ampia comunità di ricerca.

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Protocollo

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I materiali e gli strumenti utilizzati in tutto il protocollo sono riportati nella Tabella dei materiali.

1. Preparazione di scaglie di materiale bidimensionali (2D)

  1. Esfoliazione al grafene
    1. Tagliare un wafer di Si/SiO2 in pezzi di 2 cm × 2 cm utilizzando un pennarello in carburo di tungsteno. Pulire successivamente la superficie del wafer con una pistola a spruzzo di azoto per rimuovere la polvere di silicone.
      NOTA: I wafer con SiO2 di 285 nm di spessore sono tipicamente utilizzati per l'esfoliazione di grafene e hBN, poiché questo spessore fornisce un buon contrasto cromatico per l'identificazione visiva dei materiali 2D.
    2. Preriscaldare la piastra riscaldante a 250 °C, quindi posizionare i wafer Si/SiO2 sulla piastra riscaldante.
    3. Posizionare un cristallo di grafite su un nastro blu rettangolare privo di silicone (1005R). Piega il nastro a metà per coprire il cristallo. Premere saldamente il cristallo di grafite, quindi aprire delicatamente il nastro. Si stacca dagli strati superiori di grafite, esponendo una superficie cristallina piatta e lucida.
    4. Posiziona un altro nastro blu rettangolare sulla superficie di grafite appena esfoliata. Premilo delicatamente, quindi staccalo. Trasferisce gli strati superiori di grafite fresca sul nuovo nastro.
    5. Ispezionare gli strati di grafite trasferiti. La quantità di cristallo è fondamentale per ottenere risultati ottimali di esfoliazione. Se necessario, ripetere la procedura al punto 1.1.4 fino a quando non si è accumulata una quantità sufficiente di cristallo sul nuovo nastro (Figura 1A).
    6. Piegare e aprire delicatamente il nuovo nastro più volte, distribuendo la grafite sul nastro (Figura 1B). Fermarsi quando la superficie è uniformemente ricoperta da strati sottili di grafite.
      NOTA: Piegare il nastro troppe volte può ridurre la resa di grandi scaglie di grafene.
    7. Esaminare il nuovo nastro contro una fonte di luce (Figura 1C). Idealmente, il nastro è ricoperto da isole di grafite trasparente. Se ha troppi pezzi di grafite spessi, metti un altro nastro blu sopra. Staccarlo aiuterà a ridurre lo spessore della grafite.
    8. Tagliare il nastro blu preparato in pezzi di dimensioni uguali ai wafer Si/SiO2 . Rimuovere i wafer dalla piastra calda e applicare immediatamente il nastro.
    9. Lasciare raffreddare i wafer a temperatura ambiente, quindi staccare delicatamente il nastro. Ispezionare i risultati dell'esfoliazione utilizzando un microscopio ottico. Se sono presenti residui eccessivi di nastro adesivo sul wafer, prendere in considerazione l'abbassamento della temperatura di riscaldamento per il tentativo successivo.

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Figura 1: Esfoliazione in scaglie e criteri di selezione. (A-C) Esfoliazione al grafene. (A) Cristalli di grafite dello strato superiore appena trasferiti su un nuovo nastro blu. (B) Piegare e aprire il nastro per stendere i cristalli di grafite sulla superficie del nastro. (C) Ispezionare il nastro verso una fonte di luce prima dell'uso. Idealmente, la maggior parte dell'area dovrebbe essere coperta con isole di grafite semitrasparenti. (D-F) esfoliazione hBN. (D) Seleziona 2 o 3 cristalli hBN lucidi e mettili sul nastro. (E) Stendere i cristalli di hBN in modo uniforme sul nastro piegandolo e aprendolo delicatamente. (F) Ispezionare la superficie del nastro utilizzando la luce riflessa prima dell'uso. Se la maggior parte della superficie del cristallo sembra essere colorata, utilizzare un nastro adesivo aggiuntivo per ridurre lo spessore del cristallo. (G,H) Immagini al microscopio ottico dei fiocchi di materiale 2D rappresentativi che soddisfano i criteri di selezione dei fiocchi, tra cui il dito di grafite (G), il grafene monostrato (H) e il fiocco superiore di hBN (I). (G,I) vengono catturati con un obiettivo 50x, mentre (H) vengono catturati con un obiettivo 100x. Tutte le barre della scala indicano 30 μm. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

  1. Esfoliazione esagonale al nitruro di boro (hBN)
    1. Tagliare e pulire i wafer come descritto al punto 1.1.1. Preriscaldare la piastra riscaldante a 160 °C.
    2. Posizionare 2-3 cristalli di hBN lucidi su un nastro blu rettangolare privo di silicone (1009R) (Figura 1D).
      NOTA: Diversi nastri vengono utilizzati per l'esfoliazione del grafene e dell'hBN. Il nastro 1005R ha un'adesione più forte rispetto al 1009R, con conseguente maggiore densità di scaglie ma più residui di nastro sui wafer.
    3. Piegare e aprire delicatamente il nastro più volte per distribuire i cristalli di hBN sulla superficie del nastro (Figura 1E). Fermarsi quando il nastro è ricoperto da cristalli hBN sottili e lucidi.
    4. Ispezionare la superficie del nastro sotto la luce riflessa (Figura 1F). Se ci sono troppi cristalli spessi, utilizzare un altro nastro blu per ridurne lo spessore, come descritto nel passaggio 1.1.7.
    5. Tagliare il nastro blu preparato in pezzi che corrispondano alle dimensioni dei wafer Si/SiO2 . Applicare delicatamente il nastro sui wafer a temperatura ambiente.
    6. Posizionare le cialde nastrate sulla piastra calda a 160 °C e scaldarle per 2 minuti. Dopo il riscaldamento, una volta che i wafer si sono raffreddati a temperatura ambiente, staccare delicatamente il nastro a una velocità lenta e controllata di circa 2 minuti per wafer.
    7. Dopo aver rimosso il nastro, posizionare i wafer in un tubo di quarzo all'interno di un forno e ricuocere a 350 °C per 10 ore in atmosfera di forming gas (50% H2- 50% Ar). Questo passaggio mira a ridurre i residui di nastro sulla superficie del wafer.
      NOTA: Altre condizioni di ricottura, come l'alto vuoto, possono ottenere risultati simili.
    8. Al termine del processo di ricottura, rimuovere i wafer dal forno e utilizzare una pistola a spruzzo di azoto per soffiare via eventuali particelle di vetro introdotte durante la ricottura.
    9. Ricuocere il tubo di quarzo a 1000 °C per 1 ora esponendolo all'atmosfera. Questa fase rimuove i residui chimici dal tubo in preparazione del futuro processo di ricottura.
  2. Selezione di scaglie di materiali 2D
    1. Per la selezione delle scaglie di materiale 2D, utilizzare un microscopio ottico con un obiettivo 5x per preselezionare rapidamente i wafer in condizioni di illuminazione a campo chiaro. Identificare le scaglie con la dimensione, la forma e lo spessore desiderati in base ai criteri di selezione delle scaglie specificati nella sezione Discussione. Le scaglie rappresentative che soddisfano i criteri sono mostrate nella Figura 1G - I.
    2. Utilizzare un obiettivo 50x o 100x per valutare la qualità delle scaglie regolando il contrasto cromatico dell'immagine in campo chiaro. In alternativa, utilizzare l'illuminazione a campo scuro con un tempo di esposizione sufficiente per controllare il fiocco. Entrambe le strategie aiutano a eliminare ulteriormente le scaglie imperfette.
    3. Per verificare la qualità delle scaglie, prendere in considerazione l'esecuzione della microscopia a forza atomica (AFM) in modalità tapping per controllare la topografia della superficie delle scaglie. Per l'ulteriore lavorazione, selezionare solo scaglie con una superficie pulita e senza sollecitazioni apparenti.

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Figura 2: Fabbricazione di vetrini con timbri PC/PDMS. (A) Un nastro biadesivo con un foro perforato è stato fatto aderire a un'estremità del vetrino. (B) Un timbro PDMS pulito è stato posizionato al centro del foro perforato. (C) Una quantità appropriata di PC in soluzione di cloroformio è stata erogata sul vetrino. (D) Un altro vetrino pulito è stato posizionato sopra quello inferiore per distribuire uniformemente la soluzione e i vetrini sono stati fatti scorrere l'uno sull'altro. (E) Un film sottile uniforme di PC formatosi sul vetrino inferiore dopo l'evaporazione del cloroformio. (F) Un altro nastro biadesivo con un foro perforato è stato posizionato su una regione pulita della pellicola per PC. I graffi intorno al foro sono stati fatti dal retro della pinzetta per garantire un legame stretto tra il nastro e la pellicola del PC. (G) La pellicola per PC è stata tagliata lungo i bordi del nastro e staccata delicatamente. (H) Al centro del foro era visibile una pellicola PC uniforme autoportante. (I) La pellicola PC autoportante è stata sovrapposta al timbro PDMS allineando il foro perforato in (H) con quello in (B). I nastri biadesivi attorno al foro sono stati premuti saldamente insieme. (J) Il nastro aggiuntivo è stato tagliato, lasciando solo la regione centrale del timbro PC/PDMS. (K) Visualizzazione ingrandita del timbro PC/PDMS. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

2. Realizzazione di vetrini con timbri PC/PDMS

  1. Fabbricare i vetrini con timbri in policarbonato (PC) e polidimetilsilossano (PDMS), utilizzati per il prelievo di materiali 2D.
    1. Preparare una capsula di Petri da 6'' pulita. Miscelare la base in elastomero siliconico con l'agente indurente nella capsula di Petri, con un rapporto in peso di miscelazione di 10:1. Per ottenere uno spessore ottimale del PDMS di circa 1-2 mm, viene solitamente utilizzata una miscela di circa 10 g di base e 1 g di agente indurente.
    2. Una volta completamente amalgamata, posizionare la capsula di Petri su una superficie piana e polimerizzarla per 2 giorni a temperatura ambiente. Dopo l'indurimento, il PDMS è pronto per l'uso.
    3. Attaccare un nastro biadesivo con un foro a un'estremità di un vetrino pulito (Figura 2A). Quindi, posizionare un timbro PDMS pulito (spessore 1-2 mm) al centro del foro (Figura 2B).
      NOTA: Per ottenere una forte adesione tra il timbro PDMS e il vetrino, l'interfaccia deve essere pulita, uniforme e priva di polvere o bolle.
    4. Nella cappa aspirante, prelevare un altro vetrino pulito ed erogare sulla superficie una quantità adeguata del 6% p/p di PC in soluzione di cloroformio (come mostrato nella Figura 2C).
    5. Posizionare un vetrino pulito sopra il vetrino inferiore e premerlo delicatamente (Figura 2D). Una volta che la soluzione è stata distribuita, far scorrere i due vetrini uno accanto all'altro per creare una pellicola liscia per PC. Dopo che il cloroformio è evaporato, si forma un film sottile di PC sul vetrino inferiore (Figura 2E).
    6. Posiziona un altro pezzo di nastro biadesivo con un foro su una regione pulita e uniforme della pellicola per PC. Premere intorno al foro utilizzando il retro di una pinzetta per garantire un fissaggio sicuro tra il nastro e la pellicola per PC (Figura 2F).
    7. Tagliare la pellicola per PC lungo i bordi del nastro per separare questa sezione dalla parte rimanente sul vetrino, quindi staccare delicatamente il nastro (Figura 2G).
    8. Dopo aver staccato il nastro, ispezionare la pellicola per PC indipendente al centro del foro (Figura 2H). È preferibile preparare la pellicola per PC in un ambiente ad alta umidità, come nei giorni di pioggia. In caso contrario, la pellicola potrebbe raggrinzirsi durante il processo di peeling. In caso di pieghe, ripetere i passaggi 2.1.6-2.1.7 fino a ottenere una pellicola PC uniforme.
    9. Sovrapporre la pellicola PC autoportante sul timbro PDMS preparato al punto 2.1.3. Quindi, utilizzare una lama di rasoio per premere saldamente il nastro biadesivo attorno al foro (Figura 2I).
    10. Tagliare il nastro in eccesso oltre l'area centrale del timbro PC/PDMS. Viene fabbricato un vetrino con un timbro PC/PDMS su un'estremità (Figura 2J), con la vista ingrandita mostrata nella Figura 2K.

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Figura 3: Configurazione di trasferimento personalizzata altamente regolabile. (A) Vista frontale della configurazione di trasferimento, con i componenti importanti etichettati con frecce e lettere rosse. Il nome di ogni componente è elencato a destra. L'area centrale della configurazione è racchiusa all'interno di una casella di linea tratteggiata grigia. (B) Vista ingrandita della regione centrale in (A) nella condizione di pre-innesto, che mostra che il timbro PC/PDMS è posizionato a circa 2 mm sopra il wafer Si/SiO2 . Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Figura 4: Ablazione laser con grafene. (A) Schema del percorso della luce laser nella configurazione di trasferimento personalizzata. Il raggio laser è confocale con il percorso di imaging della telecamera per un'ablazione laser precisa. (B) Un fiocco di grafene monostrato dopo l'ablazione laser. La linea centrale di taglio laser viene tagliata due volte per aumentare lo spazio tra i pezzi di grafene adiacenti, mentre le due linee esterne separano la regione centrale dal resto della scaglia. (C) Una scaglia di grafite con spessore uniforme ma forma irregolare. (D) L'ablazione laser modella la grafite irregolare in un dito di grafite rettangolare, rendendolo ideale per l'uso come elettrodo di gate in grafite. Tutte le barre della scala denotano 30 μm. (A) è adattato da Park et al.38. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

3. Trasferimento a secco di superreticolo moiré di grafene (grafene a doppio strato ritorto come esempio)

NOTA: Per i dettagli sulla configurazione di trasferimento personalizzata (Figura 3A) e sul laser supercontinuum integrato (Figura 4A) utilizzato in questo protocollo, fare riferimento alla sezione Discussione.

  1. Ablazione laser con grafene
    1. Posizionare il wafer di grafene sul tavolino di campionamento e localizzare il grafene utilizzando l'obiettivo 10x. Regola il fiocco nell'orientamento desiderato, quindi passa all'obiettivo 50x.
    2. Usa la funzione Disegna curve e linee rette di Bezier in Inkscape per delineare il confine del grafene e le linee di taglio laser pianificate. Se il grafene presenta regioni con piccole pieghe o crepe, utilizzare linee di taglio laser per separarle dalla regione centrale. Può ridurre il rischio di ulteriori pieghe o crepe durante il processo di raccolta del grafene.
      NOTA: Le linee di taglio laser possono dividere il grafene in due o più pezzi, a seconda della struttura prevista, con ogni pezzo che misura almeno 20 μm di larghezza e 30 μm di lunghezza.
    3. Accendere il laser e aumentarne l'intensità fino a quando il punto del raggio diventa visibile. Regolare il tavolino del campione per allineare il punto del raggio con l'inizio di una linea di taglio laser pianificata. Quindi, regolare l'intensità del laser a un livello adatto per l'ablazione del grafene.
      NOTA: La potenza del laser richiesta per tagliare il grafene senza danneggiare la superficie SiO2 è compresa tra 60 mW e 150 mW, come misurato prima del divisore di raggio.
    4. Spostare il tavolino di campionamento per guidare il punto del raggio lungo la linea di taglio laser pianificata per tagliare la scaglia. Dopo il taglio, azzerare l'intensità del laser e ispezionare la linea di taglio laser.
    5. Ripetere la procedura per eseguire un taglio aggiuntivo adiacente a quello esistente. Ciò aumenta lo spazio tra i pezzi di grafene, fornendo più spazio per l'allineamento del bordo dritto hBN senza entrare in contatto con il pezzo di grafene vicino.
    6. Ripetere la procedura per ogni linea di taglio laser pianificata. Dopo aver completato l'ablazione laser, il grafene incontaminato viene diviso in più pezzi (Figura 4B). I pezzi centrali utilizzati per la costruzione del superreticolo moiré sono isolati dal resto della scaglia.
    7. Rimuovere il wafer di grafene dal tavolino e ispezionare le linee di taglio laser utilizzando un microscopio ottico. Assicurarsi che le linee di taglio siano prive di contaminanti.
      NOTA: La tecnica di ablazione laser del grafene può essere utilizzata anche per ingegnerizzare scaglie di grafite nelle geometrie desiderate. Ad esempio, una scaglia di grafite irregolare (Figura 4C) può essere modellata in un dito di grafite rettangolare perfetto (Figura 4D), ideale per l'uso come elettrodo di gate. Questo approccio riduce significativamente il tempo dedicato alla ricerca di scaglie di grafite con geometrie specifiche.

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Figura 5: Trasferimento del cancello inferiore in grafite. (A) Il film in PC è stato focalizzato ed è stata identificata una regione pulita con l'obiettivo 2x. (B) Il fiocco di hBN è stato focalizzato e spostato nella regione pulita identificata in (A). (C) Il francobollo è entrato in contatto con il wafer, formando una regione di contatto verde chiaro, con il bordo destro colorato indicato come fronte d'onda. Il film per PC copriva completamente la scaglia inferiore di hBN. (D) Il fiocco di hBN inferiore è stato raccolto, con il colore del fiocco che appare semitrasparente. (E) L'hBN e il dito di grafite sono stati posizionati nell'allineamento finale prima che il timbro entrasse in contatto con il wafer. (F) Il fronte d'onda si avvicinava al dito di grafite, dove la velocità di innesto era ridotta a 0,5 μm/s. (G) Il fronte d'onda passava completamente sopra il dito di grafite. (H) Il dito di grafite è stato raccolto dalla scaglia inferiore di hBN. (I) Il cancello inferiore in grafite è stato rilasciato su un wafer di marcatura pre-modellato a 160 °C, garantendo il contatto tra il dito di grafite e il dito metallico di Ti/PdAu. (J) L'intero timbro PC/PDMS è stato agganciato al wafer. (K) La pellicola PC è stata separata dal timbro PDMS. Il fronte d'onda trasparente tra le diverse regioni colorate indicava il distacco tra la pellicola PC e il timbro PDMS. (L) La pellicola in PC è stata strappata dal vetrino, lasciando il cancello di grafite inferiore sul wafer. Le barre della scala in (A,B,J,K,L) indicano 500 μm; in (C,D,F) denotano 90 μm; e in (E,G,H,I) indicano 30 μm. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

  1. Preparazione delle paratoie di fondo in grafite
    1. Prelevare il fiocco di hBN inferiore (Figura 5A - D) seguendo passaggi simili al punto 3.3. In particolare, per il fiocco di hBN inferiore, non sono necessari un bordo cristallino diritto e un fronte d'onda parallelo (per la definizione del fronte d'onda, vedere il passaggio 3.3.8).
    2. Posizionare il wafer con il dito di grafite sul tavolino di campionamento. Centrare il dito di grafite nella finestra della fotocamera e orientarlo nella direzione desiderata. Usa Peek Through per rendere la finestra di Inkscape semitrasparente mentre fluttua sopra la finestra della telecamera. Delinea il confine del dito di grafite in Inkscape.
    3. Impostare la temperatura dello stadio campione su 80 °C. Caricare la guida in vetro e spostarla in posizione di pre-innesto (vedere il passaggio 3.3.4 e la Figura 3B).
    4. Seguendo passaggi simili a quelli descritti in 3.4.5-3.4.10, allineare la scaglia di hBN inferiore e il dito di grafite prima che il timbro entri in contatto con il wafer, come mostrato nella Figura 5E. Questo allineamento assicura che il dito di grafite sia posizionato sotto la regione pulita e uniforme della scaglia di hBN inferiore.
    5. Utilizzare l'attuatore di direzione Z per innestare il timbro PC/PDMS sul wafer a una velocità di 5 μm/s fino a quando il fronte d'onda non è vicino al dito di grafite (Figura 5F).
    6. Ridurre la velocità a 0,5 μm/s per consentire al fronte d'onda di passare lentamente il dito di grafite fino a coprire completamente la grafite (Figura 5G).
    7. Disinnestare il fronte d'onda a una velocità di 0,5 μm/s. Il colore del dito di grafite cambierà dal viola al grigio scuro semitrasparente una volta raccolto (Figura 5H). Quando la grafite è completamente prelevata, disinnestare completamente il fronte d'onda a una velocità di 5 μm/s.
    8. Rilasciare a caldo la scaglia di hBN inferiore e il gate di grafite su un wafer marcatore pre-modellato a una temperatura dello stadio di campionamento di 160 °C, a contatto con il dito metallico di Ti/PdAu (Figura 5I-L), seguendo passaggi simili a quelli descritti al punto 3.5.
    9. Rimuovere la pellicola PC immergendo il wafer nel cloroformio per un'ora. Dopo la rimozione, sciacquare il wafer con alcol isopropilico e asciugare con una pistola a spruzzo di azoto.
      NOTA: Normalmente, 20 minuti in cloroformio sono sufficienti per sciogliere la pellicola del PC. In questo caso, 1 h viene utilizzata per ottenere una superficie del cancello più pulita.
    10. Porre il wafer in un tubo di quarzo e ricuocere a 350 °C per 10 ore in un'atmosfera di gas di formazione (50% H2- 50% Ar).
    11. Ispezionare il cancello inferiore utilizzando il microscopio ottico. Le immagini microscopiche in campo chiaro e in campo scuro di un cancello di grafite inferiore privo di bolle sono mostrate nella Figura 6A, B.
    12. Usa la modalità di tocco AFM per scansionare il cancello inferiore. Selezionare le regioni del cancello prive di bolle e strutture non uniformi, con la larghezza della regione leggermente maggiore di quella del cancello. La superficie del cancello dopo la ricottura è ricoperta da residui di polimero, come mostrato nella Figura 6C.
    13. Dopo aver selezionato le regioni del cancello uniformi e prive di bolle, commutare l'AFM sulla modalità di contatto standard con la stessa punta della modalità di maschiatura utilizzata nell'ultimo passaggio.
      NOTA: La punta della modalità di tocco è più rigida della punta della modalità di contatto, offrendo risultati di pulizia migliori.
    14. Scansiona le regioni selezionate con una risoluzione di 512 linee per scansione e applica una forza normale sulla punta di alcune decine di nN a una velocità di circa 20 μm/s per rimuovere i residui di polimero sulla superficie. Questa fase è indicata come processo di pulizia della punta.
    15. Dopo un ciclo di pulizia della punta, riportare l'AFM alla modalità di maschiatura e controllare i risultati della pulizia con una nuova punta della modalità di maschiatura.
    16. Ripetere il processo di pulizia della punta fino a quando il residuo di polimero non viene completamente rimosso dalla regione del cancello ai lati (Figura 6D).

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Figura 6: Cancello inferiore in grafite senza bolle pre-pulito. (A,B) Immagini ottiche al microscopio in campo chiaro (A) e in campo scuro (B) di un cancello in grafite inferiore rappresentativo senza bolle. Immagini topografiche AFM della superficie sporca del cancello prima del processo di pulizia della punta (C) e della superficie pulita del cancello dopo il processo di pulizia della punta (D). Il residuo di polimero viene spazzato lateralmente, dando vita a due linee verticali, come osservato in (D). Le barre della scala in (A,B) indicano 30 μm e in (C,D) indicano 1 μm. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

  1. Raccogli il fiocco superiore di hBN
    1. Posizionare il wafer sul tavolino di campionamento e individuare la scaglia di hBN superiore utilizzando l'obiettivo 10x.
    2. Regolare l'orientamento del fiocco hBN fino a quando il suo bordo dritto è verticale e posizionato sul lato destro del fiocco. Quindi, delinea il confine delle scaglie in Inkscape. Questo disegno serve come riferimento per allineare l'hBN ai fiocchi di grafene in un secondo momento.
      NOTA: I livelli di zoom della fotocamera e di Inkscape devono essere mantenuti coerenti durante l'intero processo di trasferimento per mantenere una scala uniforme tra le scaglie e i disegni.
    3. Bloccare delicatamente il vetrino con il timbro PC/PDMS all'interno della presa con un angolo di inclinazione verso il basso di 2°-3°. Far scorrere lo zoccolo verso sinistra utilizzando il vassoio scorrevole fino a quando il vetrino non si posiziona sopra il wafer del campione, quindi bloccarlo manualmente in posizione.
    4. Impostare la temperatura dello stadio di campionamento a 50 °C. Innestare il vetrino verso il basso utilizzando l'attuatore della direzione Z con una velocità elevata di 1 mm/s, fino a quando il timbro si trova 2 mm sopra il wafer. A questo punto, il sistema si trova in posizione di pre-innesto (Figura 3B).
    5. Focalizzare il microscopio sulla pellicola del PC e ispezionare la pulizia della superficie (simile alla Figura 5A). Selezionare una regione pulita leggermente a sinistra del centro del timbro per il contatto con il fiocco hBN, poiché il timbro si innesterà da sinistra. Spostare la scaglia di hBN nella regione pulita selezionata.
    6. Innestare il cursore del vetro più in basso a una velocità di 0,1 mm/s. Quando la pellicola PC e il wafer si trovano quasi sullo stesso piano focale, ridurre la velocità a 5 μm/s.
    7. Identifica il punto di contatto osservando gli anelli di Newton formati tra il timbro e il wafer. Per facilitare un processo di prelievo fluido, assicurarsi che l'hBN sia posizionato a destra e lontano dal punto di contatto. In caso contrario, tornare alla posizione di pre-innesto e regolare la posizione hBN ripetendo i passaggi 3.3.5-3.3.7.
    8. Quando il timbro entra in contatto con il wafer, la loro interfaccia mostra una regione di contatto verde, con il bordo destro colorato indicato come fronte d'onda. Un fronte d'onda parallelo, come mostrato nella Figura 7A, è più facile da bloccare sul bordo dritto hBN.
      NOTA: A causa della potenziale superficie inclinata del timbro, il fronte d'onda può avere una leggera inclinazione rispetto al bordo dritto hBN. Per assicurarsi che siano paralleli durante il prelievo del grafene, registrare l'angolo di inclinazione approssimativo e ricordarsi di compensarlo utilizzando i goniometri al punto 3.4.3.
    9. Agganciare ulteriormente il timbro sul wafer con una velocità di 5 μm/s, fino a coprire completamente la scaglia di hBN (simile alla Figura 5C). Quindi, impostare la temperatura dello stadio del campione su 80 °C.
      NOTA: Se il livello di adesione della pellicola PC è incerto, impostare inizialmente la temperatura del tavolino a 60 °C, quindi aumentarla gradualmente fino a quando l'hBN può essere prelevato senza problemi.
    10. Dopo aver raggiunto la temperatura, sganciare il timbro con 5 μm/s fino a quando il fronte d'onda non si trova vicino al bordo dritto dell'hBN. Quindi, ridurre la velocità a 2 μm/s per prelevare lentamente l'hBN. Una volta prelevato, aumentare la velocità a 5 μm/s per staccare la pellicola di PC dal wafer.
      NOTA: Quando il fronte d'onda retrattile tocca il bordo dritto hBN, monitorare attentamente il colore della scaglia. Diventa trasparente una volta che il ritiro è riuscito. Se la scaglia rimane colorata, riagganciare il timbro per coprire la scaglia e ripetere il passaggio precedente a una temperatura più alta. La pellicola per PC diventerà più adesiva sia al fiocco che al wafer all'aumentare della temperatura. Il limite massimo di temperatura consigliato è di 120 °C. Il superamento di 120 °C può causare il distacco della pellicola PC dal timbro PDMS durante lo sganciamento. Se la pellicola per PC non è abbastanza appiccicosa, prendere in considerazione l'applicazione del trattamento UV/ozono sul vetrino con un timbro per 5-10 minuti. Questo trattamento migliora l'adesione del film PC ai materiali 2D, aumentando il tasso di successo del prelievo delle scaglie.
    11. Spegnere il stage riscaldatore e aprire il sistema di raffreddamento ad acqua. Attendere che la temperatura scenda sotto i 45 °C, quindi chiudere il sistema di raffreddamento ad acqua e sganciare il vetrino fino in fondo con una velocità di 1 mm/s. Togliere il wafer hBN dal palco.
      NOTA: Spostare drasticamente il vetrino ad alte temperature disturba le scaglie fragili, causando potenzialmente la comparsa di pieghe e crepe dopo il raffreddamento. Se si sviluppano pieghe o crepe gravi, la scaglia deve essere scartata, poiché queste strutture irregolari possono ostacolare la raccolta regolare del grafene.

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Figura 7: Passaggi critici nel processo di trasferimento del superreticolo moiré di grafene. (A) Un'immagine con lo zoom indietro scattata prima di prelevare il fiocco di hBN superiore. La regione di contatto tra il timbro PC/PDMS e il wafer appare in verde chiaro. In particolare, il fronte d'onda è parallelo al bordo dritto del fiocco superiore di hBN. (B) Fiocco di grafene dopo ablazione laser. La linea centrale di taglio laser separa il primo e il secondo pezzo di grafene, che sono più larghi a causa del doppio taglio, come menzionato nel passaggio 3.1.5. Gli altri due tagli servono a isolare la regione del nucleo di grafene dalla lunga coda di grafene e dal pezzo di grafite spesso, che potrebbe indurre una tensione extra durante il processo di raccolta se non separato. (C) L'hBN e il grafene sono nella posizione di allineamento finale prima di prelevare il primo pezzo di grafene. (D) Il fronte d'onda è molto vicino al bordo sinistro dell'hBN, dove la velocità di innesto dovrebbe essere ridotta a 0,02 μm/s. (E) L'hBN sta lentamente entrando in contatto con il primo pezzo di grafene. (F) Il fronte d'onda passa completamente sopra il primo pezzo di grafene ed è bloccato dal bordo dritto hBN. (G) l'hBN sta raccogliendo il grafene senza problemi. (H) I fiocchi vengono allineati ai rispettivi disegni prima di raccogliere il secondo pezzo di grafene. I confini dell'hBN e i disegni originali in grafene sono delineati in nero, mentre il disegno in grafene copiato dopo la rotazione è raffigurato in blu. (I) Immagine al microscopio ottico della pila superiore fabbricata attraverso (A-H), con il contrasto cromatico regolato in modo ottimale per mostrare le caratteristiche fini all'interno della pila. È stato identificato un disordine minimo, che indica una pila superiore in grafene a doppio strato attorcigliato di alta qualità. Le barre della scala in tutte le immagini rappresentano 30 μm, tranne in (A), dove rappresenta 200 μm. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

  1. Raccogli il superreticolo moiré di grafene
    1. Posizionare il wafer con il grafene appena tagliato al laser sul tavolino del campione. Individuare il grafene utilizzando l'obiettivo 10x, quindi regolare l'orientamento della scaglia in modo che le linee di taglio laser siano parallele al bordo dritto hBN, come mostrato nella Figura 7B.
    2. Delinea il confine del grafene in Inkscape, comprese le linee di taglio laser. Utilizzare Visualizza attraverso per rendere il disegno semitrasparente mentre è fluttuante sopra la finestra della fotocamera.
    3. Regolare i goniometri per compensare l'inclinazione tra il fronte d'onda e il righello hBN, in base all'osservazione al punto 3.3.8.
    4. Caricare il vetrino con la scaglia superiore di hBN e spostarla in posizione di pre-innesto con il timbro PC/PDMS 2 mm sopra il wafer di grafene.
    5. Allinea i disegni hBN e grafene posizionando il bordo dritto hBN al centro della linea di taglio laser che separa i pezzi centrali di grafene. Regola il microscopio per mettere a fuoco il grafene, quindi allinealo al suo disegno in Inkscape.
    6. Concentrati sulla scaglia superiore di hBN e sposta il vetrino in direzione XY, allineando l'hBN al suo disegno. In questo modo si completa l'allineamento approssimativo nella posizione di pre-innesto.
    7. Concentrati sul grafene pretagliato, quindi regola leggermente il piano focale verso l'alto. Innestare il vetrino verso il basso con una velocità di 0,1 mm/s fino a quando la scaglia superiore di hBN non viene messa a fuoco. A questo punto, l'hBN e il grafene pretagliato sono molto vicini.
    8. Rifocalizzati sul grafene. Impostare la velocità su 5 μm/s e innestare lentamente il timbro fino a quando l'hBN è approssimativamente visibile, assicurandosi che il timbro e il wafer non entrino in contatto.
    9. Riallinea sia il grafene che l'hBN superiore ai loro disegni. Questo servirà come allineamento finale prima che il timbro tocchi il wafer. Le scaglie sono ben allineate, come mostrato nella Figura 7C.
      NOTA: Una volta che il timbro entra in contatto con il wafer, evitare ulteriori regolazioni dell'allineamento. Lo spostamento del timbro può indurre una tensione eccessiva nella pellicola del PC e nell'hBN
    10. Continuare a innestare il timbro verso il basso finché non tocca il wafer. Se il fronte d'onda rimane non parallelo al bordo rettilineo dell'hBN, ricominciare dal passaggio 3.4.3 per regolare nuovamente i goniometri. L'obiettivo è quello di ottenere un fronte d'onda parallelo, come mostrato nella Figura 7A.
    11. Valutare il livello di isteresi dello stadio dell'asse z spostando continuamente il timbro verso l'alto e monitorando il movimento del fronte d'onda. Se prima si muove in avanti per alcuni μm e poi inizia a ritrarsi, indica che il tavolino mostra un'evidente isteresi con questo vetrino. D'altra parte, se il fronte d'onda si ritrae immediatamente senza alcun movimento in avanti, il palco non mostra un'isteresi evidente con questo vetrino.
      NOTA: L'isteresi può influire sul pinning del fronte d'onda sul bordo dritto hBN e portare a un impegno eccessivo, con conseguente contaminazione dei successivi pezzi di grafene. Pertanto, se si osserva un'isteresi, il metodo di riscaldamento in corrente continua (passaggio 3.4.13) viene preferibilmente utilizzato per il processo di innesto successivo anziché il metodo meccanico (passaggio 3.4.12).
    12. Metodo meccanico (senza isteresi): utilizzare una velocità di 5 μm/s per innestare il timbro fino a quando il fronte d'onda non è vicino al bordo sinistro dell'hBN (Figura 7D). Ridurre la velocità a 0,02 μm/s, quindi utilizzare questa velocità estremamente bassa per innestare l'hBN sul primo pezzo di grafene (Figura 7E). Una volta che copre completamente il primo pezzo di grafene e si blocca sul bordo dritto hBN (Figura 7F), interrompere il processo di innesto. Eliminare l'isteresi spostando lo stadio verso l'alto con una velocità di 5 μm/s fino a quando il fronte d'onda tende a ritrarsi.
      NOTA: Monitorare attentamente il processo di innesto lento, poiché il fronte d'onda potrebbe sovraccaricarsi e contaminare il successivo pezzo di grafene se non viene fermato prontamente sul bordo dritto hBN.
    13. Metodo di riscaldamento della corrente CC (con isteresi): utilizzare una velocità di 5 μm/s per attivare il timbro fino a quando il fronte d'onda non è vicino al bordo sinistro dell'hBN (Figura 7D). Eliminare l'isteresi disinnestando il timbro verso l'alto fino a quando il fronte d'onda inizia a ritrarsi. Applicare una piccola corrente CC al riscaldatore dello stadio campione per riscaldare lo stadio lentamente e in modo controllabile, con una velocità di aumento della temperatura di 0,5-1 °C/min.
      NOTA: A causa dell'espansione termica del timbro, il fronte d'onda si innesterà continuamente (Figura 7E). Una volta che copre completamente il primo pezzo di grafene e si blocca sul bordo dritto dell'hBN (Figura 7F), interrompere la corrente CC.
    14. Impostare una velocità di disinnesto di 0,02 μm/s per prelevare delicatamente il grafene (Figura 7G). Attendere che il fronte d'onda si allontani dall'hBN, quindi aumentare la velocità a 5 μm/s per staccare completamente il timbro dal wafer.
    15. Una volta che il timbro e il wafer sono completamente staccati, spostare il timbro verso l'alto per altri 3 s a una velocità di 5 μm/s per assicurarsi che tutte le scaglie siano staccate dalla pellicola PC o dal wafer. Altrimenti, una volta attorcigliati, raggrinziranno la pellicola del PC.
    16. Copia l'intero disegno in grafene in Inkscape e ruotalo dell'angolo di torsione desiderato (±1,13° per MATBG). Modificare il disegno copiato con un colore diverso per evitare confusione (blu nella Figura 7H). Allinea il secondo pezzo di grafene nel disegno copiato con il primo pezzo nel disegno originale, massimizzandone la sovrapposizione.
      NOTA: In base all'esperienza, l'angolo di torsione finale nel dispositivo è generalmente inferiore all'angolo mirato durante il processo di trasferimento. Pertanto, di solito è impostato su un valore leggermente superiore (~ 0,05°) rispetto all'"angolo magico", che è il motivo per cui si punta a ±1,13° per la fabbricazione di dispositivi MATBG.
    17. Ruotare il tavolino di campionamento dell'angolo di torsione desiderato (±1,13° per MATBG). Allineare il grafene rimanente sul wafer al disegno in grafene copiato. Il controllo preciso dell'angolo di torsione è ottenuto tramite un servomotore CC nella fase di rotazione, che fornisce una rotazione continua di 360° con una risoluzione di 2 μrad e un'isteresi trascurabile.
    18. Mettere a fuoco la scaglia superiore di hBN sul vetrino e allinearla al disegno. Dato che l'hBN e il grafene rimanente sono già nelle immediate vicinanze, questo allineamento funziona come l'allineamento finale (Figura 7H).
    19. Ripetere i passaggi 3.4.12-3.4.14 per raccogliere il pezzo di grafene attorcigliato. Se questo è l'ultimo pezzo di grafene da raccogliere, il fronte d'onda può impegnarsi eccessivamente lungo il bordo dritto hBN per spremere le bolle all'interno della pila in modo più completo.
    20. In questa fase, il superreticolo di grafene moiré viene completamente raccolto dal fiocco superiore di hBN, collettivamente indicato come stack superiore.
    21. Esamina la qualità della pila superiore utilizzando un microscopio ottico. Salvare l'immagine in campo chiaro con contrasto di colore per utilizzarla al punto 3.5.2. Nella Figura 7I, viene presentato uno stack superiore in grafene a doppio strato ritorto di alta qualità con poche bolle visibili.
  2. Incapsulare il superreticolo moiré del grafene
    1. Posizionare il wafer con il cancello inferiore pre-pulito e privo di bolle sul tavolino del campione. Individua il cancello inferiore usando l'obiettivo 10x.
    2. Importa l'immagine in campo chiaro con contrasto di colore della pila superiore in Inkscape e allineala ai disegni. Individua e delinea il confine della regione del superreticolo moiré di grafene senza bolle della pila superiore, che verrà sovrapposta al cancello inferiore.
    3. Regolare l'orientamento del cancello per coprire l'area più ampia della pila superiore senza bolle. Quindi, delinea il confine del cancello inferiore.
    4. Per strappare la pellicola del PC dopo l'incapsulamento, impostare la temperatura dello stadio del campione a 160 °C, che è superiore alla temperatura di transizione vetrosa del PC (147 °C).
    5. Caricare il vetrino con la pila superiore, quindi spostarlo in posizione di pre-innesto. Allinea approssimativamente sia il cancello inferiore che la pila superiore ai disegni.
    6. Mettere a fuoco il cancello inferiore, quindi alzare leggermente il piano focale. Innestare il vetrino verso il basso a una velocità di 0,1 mm/s fino a quando la pila superiore diventa visibile sul piano focale.
    7. Identifica un altro piano focale centrale tra il gate inferiore e la pila superiore. Impostare la velocità a 5 μm/s e innestare gradualmente il timbro fino a quando la pila superiore non è in vista.
      NOTA: A una temperatura superiore a 120 °C, una volta che il timbro entra in contatto con il wafer, diventa molto difficile separarli. L'utilizzo del piano focale centrale come riferimento garantisce che il timbro e il wafer non entrino in contatto fino a quando non viene raggiunto l'allineamento ottimale.
    8. Ripetere il passaggio 3.5.7 fino a quando il gate inferiore e la pila superiore sono quasi sullo stesso piano focale. Allineali accuratamente ai disegni. Questo serve come allineamento finale prima che il timbro entri in contatto con il wafer. Nel frattempo, lo stadio di campionamento raggiunge circa 160 °C.
      NOTA: L'alta temperatura provoca la convezione dell'aria, portando all'oscillazione dell'immagine della telecamera, che complica l'allineamento preciso. Tuttavia, è essenziale completare rapidamente l'allineamento per evitare il rilassamento dell'angolo di torsione indotto termicamente. Pertanto, richiede una notevole pratica.
    9. Utilizzare una velocità di 5 μm/s per innestare il timbro fino a toccare il wafer. Quando il fronte d'onda è vicino al gate inferiore, ridurre la velocità a 0,5 μm/s.
    10. Innestare lentamente la pila superiore sul cancello inferiore. Una volta che il fronte d'onda supera la pila superiore, tornare a 5 μm/s per agganciare l'intero timbro sul wafer (simile alla Figura 5J).
      NOTA: Controllare attentamente il fronte d'onda quando si attiva lo stack superiore. Un processo regolare aumenta la probabilità di mantenere l'angolo di torsione target nella pila finale.
    11. Attendere 1 minuto per assicurarsi che la pellicola PC sia completamente ammorbidita, quindi sganciare il timbro a una velocità di 5 μm/s. La pellicola PC rimane aderente al wafer mentre il timbro PDMS si ritrae, formando un fronte d'onda trasparente nel mezzo (simile alla Figura 5K).
    12. Non appena il fronte d'onda è completamente retratto, la pellicola PC e il timbro PDMS saranno completamente staccati. Sollevare il timbro verso l'alto per altri 3 secondi a una velocità di 5 μm/s, quindi iniziare a muoverlo per strappare la pellicola del PC (simile alla Figura 5L).
    13. Dopo aver strappato la pellicola del PC, sganciare completamente la slitta di vetro a una velocità di 1 mm/s, quindi rimuoverla dalla presa. Spegnere il riscaldatore del tavolino e attivare il sistema di raffreddamento ad acqua. Una volta che il tavolino si è raffreddato a temperatura ambiente, rimuovere il wafer e ispezionare il superreticolo di grafene moiré incapsulato utilizzando un microscopio ottico.

4. Definizione della geometria della barra di Hall per dispositivi superreticolo moiré in grafene

  1. Rimuovere la pellicola PC immergendo il wafer nel cloroformio per 20 min. Sciacquare il wafer con alcol isopropilico una volta estratto dalla soluzione di cloroformio e asciugarlo.
  2. Ispezionare nuovamente la pila utilizzando un microscopio ottico per assicurarsi che rimanga invariata dopo la rimozione della pellicola del PC. Quindi, utilizzare la modalità di tocco AFM per scansionare il superreticolo moiré di grafene incapsulato. Seleziona le regioni prive di bolle, crepe e tensione come area del dispositivo di destinazione. Questo processo filtra le regioni altamente disordinate, migliorando la coerenza dell'angolo di torsione tra i diversi campioni.
  3. Utilizzare la litografia a fascio di elettroni (EBL) per definire la configurazione dei contatti, quindi utilizzare l'incisione ionica reattiva (RIE) con una ricetta standard di incisione hBN (miscela di CHF3 e O2 ) per esporre i bordi freschi del grafene. I contatti del bordo unidimensionale Cr/Au29 vengono evaporati termicamente subito dopo l'incisione.
  4. Utilizzare EBL e RIE per definire la geometria finale del dispositivo Hall bar. Questo completa il processo di fabbricazione di un dispositivo a superreticolo moiré in grafene.

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Risultati

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Sono state eseguite misure di trasporto a bassa temperatura per caratterizzare i dispositivi superreticolo moiré in grafene. Partendo da MATBG come esempio, il tipico diagramma della ventola di Landau di un dispositivo ad angolo magico di alta qualità è mostrato nella Figura 8A22. Il fattore di riempimento delle bande piatte ν = 4n/ns descrive la densità del portatore del sistema, dove n è la densità del portante e ns =...

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Discussione

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L'imposizione di un piccolo angolo di torsione tra gli strati di grafene può introdurre un disordine significativo all'interno dell'eterostruttura. Pertanto, per massimizzare il tasso di successo nella fabbricazione di dispositivi superreticolo moiré in grafene di alta qualità, è essenziale una configurazione di trasferimento altamente sintonizzabile con un controllo preciso su posizione, angolo e temperatura. Inoltre, vengono identificati diversi aspetti critici durante il processo di f...

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Dichiarazioni

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Gli autori dichiarano di non avere conflitti di interesse.

Ringraziamenti

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Gli autori ringraziano profondamente tutti gli attuali ed ex membri del Gruppo Jarillo-Herrero per lo sviluppo e l'ottimizzazione del protocollo di fabbricazione. Questo lavoro è stato sostenuto principalmente dall'Ufficio di ricerca dell'esercito MURI W911NF2120147; con il supporto anche del 2DMAGIC MURI FA9550-19-1-0390, del MIT/Microsystems Technology Laboratories Samsung Semiconductor Research Fund, del Sagol WIS-MIT Bridge Program, della National Science Foundation (DMR-1809802), dell'iniziativa EPiQS della Gordon and Betty Moore Foundation attraverso sovvenzioni GBMF9463 e della Ramon Areces Foundation. Questo lavoro si è avvalso del Center for Nanoscale Systems di Harvard, supportato dalla NSF (ECS-0335765).

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Piattaforma di isolamento dalle vibrazioni da bancoMinus K Technology, Inc100BM-8Isolamento dalle vibrazioni per la configurazione di trasferimento personalizzata
Telecamera a coloriTeledyne FLIR LLCBFS-U3-200S6C-CTelecamera CMOS per la configurazione di trasferimento personalizzata
Pompa a membranaPfeiffer VacuumMVP 015-2Fornisce la potenza di aspirazione del vuoto per fissare il wafer sul tavolino
del campioneStadio di rotazione ad azionamento direttoThorlabs, IncDDR 100Stadio di rotazione per la configurazione di trasferimento personalizzata
Microscopio ergonomico ad alta potenzaMitutoyo FS70Corpo del microscopio per la configurazione di trasferimento personalizzata
Tavolino goniometricoThorlabs, IncGNL 18 e GNL 10Controllo dell'angolo di inclinazione del vetrino
Cristalli di grafiteNGS Trading & Consulting GmbHFlaggy FlakesCristalli di grafite piatti e lucidi per l'esfoliazione del grafene Laser
a fibra supercontinuum ad alta potenzaFianium, IncSC-400 Per l'ablazione laser del grafene
Micro attuatori lineari con controllori integratiZaber TechnologiesX-NA08A25Controlla lo stadio campione X-Y
Mitutoyo 10x M Plan APO ObjectiveMitutoyo 378-803-3Obiettivo 10x utilizzato nella fase di trasferimento
Mitutoyo 2x M Plan APO ObiettivoMitutoyo 378-801-122x obiettivo utilizzato nella fase di trasferimento
Mitutoyo 50x M Plan APO ObiettivoMitutoyo 378-805-3Obiettivo 50x utilizzato sullo stadio di trasferimento
Attuatore motorizzatoZaber TechnologiesTRB12CC Controlla il tavolino portavetrini in vetro X-Y-Z
Milliporo di poli(carbonato di bisfenolo A)Sigma181641-25Gper la realizzazione di vetrini con timbri PC/PDMS
wafer Si di prima qualitàNOVA Electronic MaterialsFP02-61160-DOwafer di Si drogato con P per l'esfoliazione di materiali 2D. Descrizione dettagliata: 6 "P < 100> .001-.005 ohm-cm 650-700μ m Wafer spessi di prima qualità SSP Si con solo piatto primario e 2850 A ±
Pellicola plastica adesiva blu senza siliconeUltron Systems, Inc1005R/1009RNastro blu per l'esfoliazione di materiali 2D
SYLGARD 184 Incapsulante in silicone ClearDow Inc.4019862Marca PDMS timbro PDMS
Modalità di maschiatura Sonda AFM con rivestimento riflettente in alluminioSoluzioni innovative Bulgaria LtdTap300Al-GTapping mode tip utilizzato per la pulizia della punta
XY stadio lineare manualeNewport CorporationM-462-XYXY stadio campione per la configurazione di trasferimento personalizzata
Stadio lineare manuale XYZNewport CorporationM-562-XYZTavolino portavetrini in vetro X-Y-Z per la configurazione di trasferimento personalizzata
Particelle di PC all'ossido termico secco al 5%

Riferimenti

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