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

La nostra ricerca è focalizzata sulle proprietà elettroniche quantistiche dei materiali bidimensionali e delle loro eterostrutture, con l'obiettivo di scoprire e studiare nuovi fenomeni quantistici e sviluppare nuovi dispositivi elettronici. Siamo stati pionieri nel campo delle torniture a torsione, in cui le proprietà delle eterostrutture dei materiali bidimensionali cambiano in funzione dell'angolo tra gli strati. La scoperta di maggior impatto è stata la superconnettività nell'angiografia magica.

Ottenere un angolo di torsione preciso rimane difficile a causa del disordine della deformazione del riscaldatore e del rilassamento del reticolo introdotti durante il processo di nanofabbricazione, che spesso porta a ideare l'omogeneità e a limitare la riproducibilità tra i campioni. Questo protocollo riflette la nostra esperienza nell'ottimizzazione di ogni fase di fabbricazione per migliorare l'uniformità e la resa, consentendo a un maggior numero di ricercatori di costruire in modo affidabile dispositivi in grafene moiré di alta qualità e di accelerare i progressi in questo campo.

[Narratore] Per iniziare, posiziona un wafer di grafene sullo stadio di campionamento della configurazione di trasferimento, integrato con un laser super continuo. Usa il biek through per rendere la finestra di Inkscape semitrasparente mentre fluttua sopra la finestra della fotocamera. Usa la funzione di disegno di curve e linee rette BZA in Inkscape per delineare il confine del grafene e le linee di taglio laser pianificate. Ora accendi il laser e aumenta l'intensità fino a quando il punto del raggio non è visibile. Regolare il tavolino del campione per allineare il punto del raggio con l'inizio di una linea di taglio laser pianificata. Quindi, spostare il tavolino del campione per guidare il punto del raggio lungo la linea di taglio laser pianificata. Dopo aver azzerato l'intensità del laser, ispezionare la linea di taglio laser. Ripetere i passaggi fino a quando tutte le linee pianificate non sono tagliate al laser. Per prelevare la scaglia esagonale superiore di nitrito di boro, regolare l'orientamento della scaglia fino a quando il bordo dritto è verticale e posizionato sul lato destro. Bloccare delicatamente il vetrino con il PC e il timbro PDMS all'interno della presa con un angolo di inclinazione verso il basso di due o tre gradi. 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. Dopo aver impostato la temperatura dello stadio del campione a 50 gradi Celsius, innestare il vetrino verso il basso utilizzando l'attuatore in direzione Z. Focalizzare il microscopio sulla pellicola di policarbonato e ispezionare la pulizia della superficie. Spostare la scaglia esagonale di nitruro di boro nella regione pulita selezionata e innestare il cursore più in basso. Ora innesta il timbro sul wafer con una velocità di cinque micrometri al secondo, fino a coprire completamente la scaglia esagonale di nitruro di boro, quindi imposta la temperatura dello stadio del campione a 80 gradi Celsius. Dopo che la temperatura dello stadio del campione ha raggiunto gli 80 gradi Celsius, sganciare il timbro con cinque micrometri al secondo fino a quando il fronte d'onda non è vicino al bordo dritto esagonale del nitrito di boro, quindi prelevare la scaglia con una velocità ridotta di due micrometri al secondo. Una volta prelevato, aumentare la velocità a cinque micrometri al secondo per staccare la pellicola di policarbonato dal wafer. Spegnere il stage riscaldatore e aprire il sistema di raffreddamento ad acqua. Quando la temperatura scende sotto i 45 gradi Celsius, chiudere il sistema di raffreddamento ad acqua. Sganciare il vetrino fino in fondo a un millimetro al secondo. Posizionare il wafer con il grafene appena tagliato al laser sul tavolino del campione e localizzare il grafene utilizzando l'obiettivo 10X. Regolare l'orientamento delle scaglie in modo che le linee di taglio laser siano parallele al bordo dritto esagonale in nitruro di boro. Delinea il confine del grafene in Inkscape, comprese le linee di taglio laser. Ora sposta il vetrino con la scaglia esagonale superiore di nitruro di boro nella posizione pre-impegnata con il PC e il timbro PDMS due millimetri sopra il wafer di grafene. Allineare il bordo dritto della scaglia con il centro della linea di taglio laser in modo che corrisponda al nitruro di boro esagonale con il disegno al grafene. Regola il microscopio per mettere a fuoco il grafene e allinearlo al suo disegno Inkscape. Quindi concentrati sulla scaglia superiore e sposta il vetrino in direzione XY per allinearlo al suo disegno. Dopo aver rimesso a fuoco su un piano focale leggermente più alto del grafene pretagliato, innestare il cursore di vetro verso il basso a 0,1 millimetri al secondo fino a quando la scaglia superiore non viene messa a fuoco. Rifocalizzati sul grafene e imposta la velocità a cinque micrometri al secondo. Agganciare lentamente il timbro fino a quando la scaglia diventa visibile in modo approssimativo, assicurandosi che non si verifichi alcun contatto con il wafer. Continuare a innestare il timbro verso il basso finché non tocca il wafer. Inserire il timbro a 0,5 micrometri al secondo fino a quando il fronte d'onda non è vicino al bordo sinistro della scaglia. Ridurre la velocità di 0,02 micrometri al secondo e continuare l'innesto per entrare in contatto con il primo pezzo di grafene. Una volta che la scaglia copre completamente il primo pezzo di grafene ed è bloccata sul bordo dritto, interrompere l'innesto. Eliminare l'isteresi spostando lo stadio verso l'alto a cinque micrometri al secondo fino a quando il fronte d'onda inizia a ritrarsi. Impostare una velocità di disinnesto di 0,02 micrometri al secondo per prelevare delicatamente il grafene. Quando il fronte d'onda si è allontanato dal fiocco, aumentare la velocità a cinque micrometri al secondo per staccare completamente il timbro dal wafer. Ora copia l'intero disegno in grafene in Inkscape e ruotalo dell'angolo di torsione desiderato. Allinea il secondo pezzo di grafene nel disegno di copia con il primo pezzo nel disegno originale per massimizzare la sovrapposizione. Ruotare il campione dell'angolo di torsione desiderato. Allineare il grafene rimanente sul wafer al disegno copiato. Mettere a fuoco la scaglia esagonale superiore di nitruro di boro sul vetrino e allinearla al disegno. Dopo aver allineato le scaglie ai disegni, ripetere i passaggi dimostrati per raccogliere il grafene rimanente. Una volta raccolto, esamina la qualità della pila superiore al microscopio. Posizionare il wafer con il cancello inferiore pre-pulito e privo di bolle sul tavolino del campione. Delinea il confine del cancello inferiore usando Inkscape. Allinea il disegno della pila superiore a quello del cancello inferiore per posizionare il grafene a doppio strato attorcigliato sul dito di grafite. Impostare la temperatura del tavolino di campionamento a 160 gradi Celsius per strappare la pellicola di policarbonato dopo l'incapsulamento, quindi caricare il vetrino con la pila superiore e spostarlo nella posizione pre-attivata. Allinea approssimativamente sia il cancello inferiore che la pila superiore ai disegni. Mettere a fuoco il cancello inferiore, quindi alzare leggermente il piano focale. Identificare un altro piano focale centrale tra il gate inferiore e la pila superiore, quindi impostare la velocità su cinque micrometri al secondo e innestare il timbro fino a quando la pila superiore non è visibile. Allinea accuratamente entrambi ai disegni. Quando lo stadio del campione è superiore a 150 gradi Celsius, inserire il timbro a cinque micrometri al secondo fino a quando il fronte d'onda non è vicino al gate inferiore, quindi ridurre la velocità a 0,5 micrometri al secondo. Innestare lentamente la pila superiore sul cancello inferiore. Una volta che il fronte d'onda supera la pila superiore, aumentare la velocità a cinque micrometri al secondo per agganciare completamente il timbro al wafer, quindi sganciare il timbro a cinque micrometri al secondo. Dopo aver separato completamente il timbro dal wafer, sollevare il timbro verso l'alto per tre secondi a cinque micrometri al secondo. Inizia a muoverlo nelle direzioni XY per strappare la pellicola di policarbonato. Sganciare completamente il vetrino a un millimetro al secondo e rimuoverlo dalla presa. Spegnere il stage riscaldatore e attivare il sistema di raffreddamento ad acqua. Una volta che la temperatura scende a temperatura ambiente, rimuovere il wafer e ispezionarlo al microscopio ottico. Quattro ventole degenerate sono emerse sia dal punto di neutralità della carica che dalle lacune del super reticolo nel dispositivo in grafene a doppio strato ritorto ad angolo magico di alta qualità, scomponendosi in degenerazioni doppie o singole a campi magnetici più elevati. I ventilatori di terra degeneri a simmetria sono stati identificati a metà degli stati di riempimento, indicando un comportamento isolante correlato. La cupola superconduttiva si trovava sotto il ventilatore di terra intorno allo stato di riempimento a metà. Le misurazioni della resistenza dipendenti dalla temperatura hanno rivelato due cupole superconduttrici su entrambi i lati dello stato di semiriempimento, con la temperatura critica massima che raggiunge circa 1,7 Kelvin. Tra i 14 dispositivi misurati, la temperatura critica ottimale ha raggiunto un picco con un angolo di torsione vicino a 1,08 gradi, in linea con le previsioni teoriche. I dispositivi disordinati vicino all'angolo magico hanno mostrato temperature critiche significativamente ridotte rispetto ai dispositivi di alta qualità, come si vede nei loro profili di resistenza rispetto alla temperatura. Queste osservazioni sottolineano l'importanza di ottimizzare la procedura di fabbricazione per ottenere dispositivi a super reticolo Moiré basati su grafene di alta qualità.