高品質グラフェン系モアレ超格子デバイスの作製法の最適化

サマリー

この記事では、高度に調整可能なカスタムビルドの転写セットアップに基づく修正ドライ転写技術を利用して、正確なねじれ角を持つ高品質のグラフェンベースのモアレ超格子デバイスを製造するための最適化された経験に基づいたプロトコルを紹介します。

要約

モアレ超格子は、強い相関とトポロジーの相互作用から生じる創発的現象を調査するための汎用性の高いプラットフォームを構成すると同時に、柔軟なin situチューニング性を提供します。しかし、このようなモアレ超格子の作製は困難です。ナノファブリケーションプロセスでは、意図しないヘテロストレインの導入、ねじれ角の乱れ、角度/格子の緩和などにより、精密なねじれ角を持つ高均一なデバイスを実現することは困難です。この記事では、改良型ドライトランスファー技術に焦点を当てて、高品質のグラフェンベースのモアレ超格子デバイスを作製するための最適化された経験に基づいたプロトコールを紹介します。トランスファープロセスは、正確な位置、角度、温度制御を可能にする、高度に調整可能なカスタムビルドのトランスファーセットアップで実行されます。厳格なフレーク選択基準、事前に洗浄された気泡のないボトムゲート、およびグラフェンレーザーアブレーションを組み合わせることにより、モアレ超格子は、ねじれたグラフェンフレークを室温でサブミクロンの速度で意図的に重ね合わせることによって構築されます。転写プロセスの精密な制御により、得られるグラフェンモアレ超格子デバイスは、高い均一性と所望のねじれ角を示します。この最適化されたプロトコルは、グラフェンベースのモアレ超格子デバイスの作製における既存の課題に対処し、急速に進化するモアレ材料の分野におけるさらなる進歩への道を開きます。

概要

現代の物性物理学の主要な推進力は、強い相関とトポロジーを単一の調整可能な物理システムに統合することです。マジック角ねじれ二重層グラフェン(MATBG)における相関絶縁体状態¹と超伝導²の発見以来、その顕著な特性は、モアレ材料³に関する研究をますます刺激してきました。近年、グラフェンをベースとした様々なモアレ超格子が構築され、研究されています。この急速に成長している分野は、エキゾチックな相関絶縁体4,5,6,7,8,9、非従来型超伝導10,11,12,13,14、ネマチティシティ¹⁵、軌道強磁性¹⁶など、豊富な創発現象を明らかにしています。^17、18。

これらのグラフェンモアレ超格子で明らかになった豊かな物理学は、グラフェン層間の小さなねじれ角によって提供される前例のないin situ調整性の恩恵を受けています。一方、この追加のねじれ角の自由度から生じる不確実性の影響も受けます。ねじれ角は、2つのグラフェンフレークをそれらの結晶軸の相対回転で重ね合わせることによって作成されます。相関関係が支配的な役割を果たすマジック角領域(1°-1.2°)を実現するには、ねじれ角を0.1°未満の精度で正確に制御することが不可欠です。しかしながら、製造手順中に、ヘテロひずみ^19,20、ねじれ角障害21,22,23、および格子緩和^24,25など、種々の有害な要因が導入され得る。不完全なフレークを使用したり、グラフェンのピックアップ速度を制御しなかったりすると、過度のひずみや角度の乱れを引き起こす可能性があります。小さなねじれ角構成は熱力学的基底状態ではないため、不必要な高温転写プロセスを組み込むと、望ましくない格子緩和のリスクが高まります。これらの要因は、グラフェンモアレ超格子デバイス作製の成功率を低下させ、特にマジックアングル領域で顕著です。これらは、この分野の研究者にとって大きな実験的課題²⁶を提起し、所望のねじれ角を持つデバイスを得ることや、以前の測定結果を再現することさえ困難にする。

この記事では、上記の課題を軽減することを目的として、高品質のグラフェンベースのモアレ超格子デバイスを作製するための最適化された、経験に基づいた段階的なプロトコルを紹介します。修正された乾式転写技術^27,28に基づいて、転写プロセスは、正確な位置、角度、および温度制御を備えた高度に調整可能なカスタムビルドの移送セットアップを使用して実行されます。このプロトコルの中心にあるのは、厳格なフレーク選択基準、事前に洗浄された気泡のないボトムゲート、グラフェンレーザーアブレーション、そして最も重要なこととして、室温でサブミクロンの速度で事前にカットされたグラフェンフレークのスムーズなピックアップです。これらの重要な側面とは別に、実験結果に影響を与える可能性のある小さな要因についても説明します。提示されたプロトコルは、ねじれた二層グラフェンを例にしていますが、あらゆる種類のグラフェンベースのモアレ超格子構造に適用できます。詳細なワークフローは、より広範な研究コミュニティ向けの高品質のグラフェンモアレ超格子デバイスの作製へのアクセス性を向上させることを目的としています。

プロトコル

プロトコール全体で使用される材料と機器は、 資料表に記載されています。

1. 2次元(2D)材料フレークの調製

1. グラフェンの剥離
   1. Si/SiO₂ ウェーハをタングステンカーバイバーを使用して2cm×2cmに切断します。その後、窒素スプレーガンでウェーハ表面を清掃し、シリコンダストを除去します。
      注:厚さ285 nmのSiO₂ のウェーハは、この厚さが2D材料の視覚的識別に良好な色のコントラストを提供するため、通常、グラフェンおよびhBNの剥離に使用されます。
   2. ホットプレートを250°Cに予熱し、Si/SiO₂ ウェーハをホットプレートに置きます。
   3. シリコンフリーの長方形の青色テープ(1005R)にグラファイト結晶を置きます。テープを半分に折り、クリスタルを覆います。グラファイトクリスタルをしっかりと押してから、テープをそっと広げます。上部のグラファイト層を剥がし、平らで光沢のある結晶表面を露出させます。
   4. 剥離したばかりのグラファイト表面に別の長方形の青いテープを置きます。そっと押してからはがします。新しいテープに新鮮なグラファイトの最上層を転写します。
   5. 転写されたグラファイト層を検査します。結晶の量は、最適な角質除去の結果を得るために重要です。必要に応じて、新しいテープに十分な量の水晶が蓄積されるまで、手順1.1.4の手順を繰り返します(図1A)。
   6. 新しいテープを静かに折りたたんで複数回広げ、グラファイトをテープ全体に分散させます(図1B)。表面がグラファイトの薄い層で均一に覆われている場合は停止します。
      注:テープを何度も折りたたむと、大きなグラフェンフレークの収率が低下する可能性があります。
   7. 新しいテープを光源と照らし合わせて調べます(図1C)。理想的には、テープは透明なグラファイトアイランドで覆われています。厚いグラファイトの塊が多すぎる場合は、その上に別の青いテープを置きます。剥がすとグラファイトの厚みが薄くなります。
   8. 用意した青色テープをSi/SiO₂ ウェーハに合わせた大きさにカットします。ホットプレートからウェーハを取り外し、すぐにテープを貼り付けます。
   9. ウェーハを室温まで冷ましてから、テープをそっと剥がします。光学顕微鏡を使用して角質除去の結果を確認します。ウェーハに過剰なテープの残留物が存在する場合は、次の試みのために加熱温度を下げることを検討してください。

図1:フレークの剥離と選択基準。 (A-C)グラフェンの剥離。(A)新しい青色テープに転写したばかりの最上層グラファイト結晶。(B)テープを折りたたんで広げ、テープ表面にグラファイト結晶を広げます。(C)使用前にテープを光源に向けて点検してください。理想的には、ほとんどの領域を半透明のグラファイトアイランドで覆う必要があります。(D-F)hBN剥離。(D)光沢のあるhBN結晶を2〜3個選択し、テープに貼ります。(E)hBN結晶を軽く折りたたんで広げて、テープ全体に均等に広げます。(F)使用前に反射光を使用してテープ表面を点検してください。結晶表面のほとんどがカラフルに見える場合は、追加のテープを使用して結晶の厚さを減らします。(G,H)グラファイトフィンガー(G)、単層グラフェン(H)、上部hBNフレーク(I)など、フレーク選択基準を満たす代表的な2D材料フレークの光学顕微鏡画像。(G,I) は 50 倍の対物レンズで、(H) は 100 倍の対物レンズで捕獲されます。すべてのスケールバーは30μmを示しています。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

2. 六方晶窒化ホウ素(hBN)剥離
   1. 手順1.1.1の説明に従ってウェーハをカットしてクリーニングします。ホットプレートを160°Cに予熱します。
   2. 2〜3個の光沢のあるhBN結晶を、シリコンフリーの長方形の青色テープ(1009R)に置きます(図1D)。
      注:グラフェンとhBNの剥離には、異なるテープが使用されます。1005Rテープは1009Rよりも接着力が強いため、フレーク密度は高くなりますが、ウェーハ上のテープ残渣が多くなります。
   3. テープを数回ゆっくりと折りたたんだり広げたりして、hBN結晶をテープ表面全体に分散させます(図1E)。テープが薄くて光沢のあるhBN結晶で覆われたら停止します。
   4. 反射光の下でテープ表面を検査します(図1F)。厚い結晶が多すぎる場合は、手順 1.1.7 で説明したように、別の青色のテープを使用して厚さを減らします。
   5. 用意した青色テープをSi/SiO₂ ウェーハのサイズに合わせてカットします。室温でウェーハにテープを滑らかに貼り付けます。
   6. テープを貼ったウェーハを160°Cのホットプレートに置き、2分間加熱します。加熱後、ウェーハが室温まで冷えたら、ウェーハあたり約2分というゆっくりと制御された速度でテープを静かに剥がします。
   7. テープをはがした後、ウェーハを炉内の石英管に入れ、成形ガス雰囲気(50%H₂〜50%Ar)で350°Cで10時間アニールします。このステップは、ウェーハ表面のテープ残留物を減らすことを目的としています。
      注:高真空などの他のアニーリング条件でも、同様の結果が得られる可能性があります。
   8. アニーリングプロセスが完了したら、ウェーハを炉から取り出し、窒素スプレーガンを使用して、アニーリング中に導入されたガラス粒子を吹き飛ばします。
   9. 石英管を1000°Cで1時間アニールし、大気にさらします。このステップでは、将来のアニーリングプロセスに備えて、チューブから化学残留物を除去します。
3. 2Dマテリアルのフレーク選択
   1. 2D材料フレークを選択するには、5倍対物レンズを備えた光学顕微鏡を使用して、明視野照明下でウェーハを迅速に事前スクリーニングします。「ディスカッション」セクションで指定されているフレーク選択基準に従って、目的のサイズ、形状、および厚さのフレークを特定します。基準を満たす代表的なフレークを図1G-Iに示します。
   2. 50倍または100倍の対物レンズを使用して、明視野画像のカラーコントラストを調整することにより、フレークの品質を評価します。あるいは、十分な露光時間を持つ暗視野照明を使用して、フレークを確認します。どちらの戦略も、不完全なフレークをさらに排除するのに役立ちます。
   3. フレークの品質を確認するには、タッピングモードで原子間力顕微鏡(AFM)を実行してフレーク表面のトポグラフィーを確認することを検討してください。表面がきれいで、明らかなひずみがないフレークのみを選択して、さらに処理してください。

図2:PC/PDMSスタンプによるスライドガラスの製作 (A)スライドガラスの一端にパンチ穴のある両面テープを貼り付けた。(B)きれいなPDMSスタンプをパンチ穴の中央に配置しました。(C)クロロホルム溶液中のPCを適量スライドガラス上に分注した。(D)溶液を均一に広げるために、下部のスライドガラスの上に別のきれいなスライドガラスを置き、スライドを互いにスライドさせました。(E)クロロホルムが蒸発した後、ボトムスライド上に形成された均一なPC薄膜。(F)パンチ穴のある別の両面テープをPCフィルムのきれいな領域に貼り付けました。穴の周りの傷はピンセットの裏側で作られ、テープとPCフィルムの間の緊密な接着を確保しました。(G)PCフィルムをテープの端に沿ってカットし、優しく剥がしました。(H)穴の中央に自立型の均一なPCフィルムが見えた。(I)自立型PCフィルムを、(H)のパンチ穴を(B)のパンチ穴と位置合わせしてPDMSスタンプに重ね合わせた。穴の周りの両面テープをしっかりと押し付けました。(J)追加のテープは切り取られ、中央のPC/PDMSスタンプ領域のみが残りました。(K)PC / PDMSスタンプのズームインビュー。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

2. PC/PDMSスタンプによるスライドガラスの製作

1. 2D材料のピックアップに使用されるポリカーボネート(PC)およびポリジメチルシロキサン(PDMS)スタンプを使用してスライドガラスを作製します。
   1. きれいな6インチのペトリ皿を準備します。シリコンエラストマーベースと硬化剤をシャーレ内で混合し、混合重量比を10:1にします。最適なPDMSの厚さを約1〜2 mmにするには、通常、約10 gの塩基と1 gの硬化剤の混合物が使用されます。
   2. 完全に混合したら、ペトリ皿を平らな面に置き、室温で2日間硬化させます。硬化後、PDMSを使用する準備が整います。
   3. きれいなスライドガラスの一方の端にパンチ穴のある両面テープを取り付けます(図2A)。次に、きれいなPDMSスタンプ(厚さ1〜2 mm)を穴の中央に配置します(図2B)。
      注意: PDMSスタンプとスライドガラスとの間に強力な接着性を実現するには、界面が清潔で均一で、ほこりや気泡がない必要があります。
   4. ヒュームフードで、別のきれいなスライドガラスを取り、クロロホルム溶液中の適切な量の6%w / w PCを表面に分注します( 図2Cを参照)。
   5. 下部のスライドの上に清潔なスライドガラスを置き、そっと押します(図2D)。溶液が広がったら、2つのスライドガラスを互いにスライドさせて、滑らかなPCフィルムを作成します。クロロホルムが蒸発した後、下部スライド上にPC薄膜が形成されます(図2E)。
   6. PCフィルムの清潔で均一な領域にパンチ穴のある両面テープをもう1枚貼り付けます。ピンセットの背面を使用して穴の周りを押し、テープとPCフィルムがしっかりと取り付けられていることを確認します(図2F)。
   7. テープの端に沿ってPCフィルムをカットして、この部分をスライドガラス上の残りの部分から分離し、テープをそっと剥がします(図2G)。
   8. テープをはがした後、穴の中央にある自立型PCフィルムを点検します(図2H)。PCフィルムは、雨の日などの高湿度の環境で作製することが好ましい。そうしないと、剥離プロセス中にフィルムがしわになることがあります。しわが発生した場合は、均一なPCフィルムが得られるまで手順2.1.6〜2.1.7を繰り返します。
   9. ステップ2.1.3で作成したPDMSスタンプに、自立型PCフィルムを重ねます。次に、かみそりの刃を使用して、穴の周りの両面テープをしっかりと押し付けます(図2I)。
   10. 中央のPC / PDMSスタンプ領域を超えて余分なテープを切り取ります。一端にPC/PDMSスタンプが押されたスライドガラスを製作し(図2J)、図 2Kにズームインビューを示します。

図3:高度に調整可能なカスタムビルドの転送セットアップ。 (A)転送セットアップの正面図、重要なコンポーネントには赤い矢印と文字のラベルが付いています。各コンポーネントの名前は右側にリストされています。セットアップのコア領域は、灰色の破線ボックスで囲まれています。(B)(A)のプリエンゲージ状態でのコア領域を拡大した図で、PC/PDMSスタンプがSi/SiO₂ ウェーハの約2mm上に配置されていることを示しています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図4:グラフェンレーザーアブレーション。 (A)カスタムビルドの転送セットアップのレーザー光路の概略図。レーザービームは、正確なレーザーアブレーションのためにカメラのイメージングパスと共焦点です。(B)レーザーアブレーション後の単層グラフェンフレーク。中央のレーザー切断ラインは、隣接するグラフェン片間のギャップを増やすために2回切断され、外側の2本のラインはコア領域をフレークの残りの部分から分離します。(C)厚さは均一だが不規則な形状のグラファイトフレーク。(D)レーザーアブレーションは、不規則なグラファイトを長方形のグラファイトフィンガーに成形するため、グラファイトゲート電極としての使用に最適です。すべてのスケールバーは30μmを示し、(A)はPark et ^al.38から採用されています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

3. グラフェンモアレ超格子の乾式移動(ねじれた二層グラフェンを例に)

注:このプロトコルで使用されるカスタムビルドの転送セットアップ(図3A)および統合スーパーコンティニュアムレーザー(図4A)の詳細については、ディスカッションセクションを参照してください。

1. グラフェンレーザーアブレーション
   1. グラフェンウェーハをサンプルステージに置き、10x対物レンズを使用してグラフェンを見つけます。フレークを希望の向きに調整してから、50x対物レンズに切り替えます。
   2. Inkscape の [ベジェ曲線と直線の描画] 機能を使用して、グラフェン境界と計画されたレーザー切断線の輪郭を描きます。グラフェンに小さな折り目や亀裂のある領域がある場合は、レーザー切断ラインを使用してそれらをコア領域から分離します。これにより、グラフェンピックアッププロセス中にさらに折り畳まれたり、亀裂が生じたりするリスクを減らすことができます。
      注:レーザー切断ラインは、目的の構造に応じてグラフェンを2つ以上の部分に分割でき、各ピースは幅が少なくとも20μm、長さが30μmです。
   3. レーザーの電源を入れ、ビームスポットが見えるまで強度を上げます。サンプルステージを調整して、ビームスポットを計画されたレーザー切断ラインの開始位置に合わせます。次に、レーザー強度をグラフェンアブレーションに適したレベルに調整します。
      注:SiO₂ 表面を損傷せずにグラフェンを切断するために必要なレーザー出力は、ビームスプリッターの前に測定したように、60 mWから150 mWの間です。
   4. サンプルステージを動かして、ビームスポットを計画されたレーザー切断ラインに沿ってガイドし、フレークを切断します。切断後、レーザー強度をゼロにし、レーザー切断ラインを検査します。
   5. この手順を繰り返して、既存のカットに隣接して追加のカットを行います。これにより、グラフェン片間のギャップが広がり、hBNのストレートエッジが隣接するグラフェン片に接触することなく整列するためのスペースが増えます。
   6. 計画されたレーザー切断ラインごとに手順を繰り返します。レーザーアブレーションが完了すると、元のグラフェンはいくつかの断片に分割されます(図4B)。モアレ超格子の構築に使用される中央のピースは、フレークの残りの部分から分離されています。
   7. グラフェンウェーハをステージから取り外し、光学顕微鏡を使用してレーザー切断ラインを検査します。カッティングラインに汚染物質がないことを確認してください。
      注:グラフェンレーザーアブレーション技術は、グラファイトフレークを目的の形状に設計するためにも使用できます。例えば、不規則なグラファイトフレーク(図4C)は、ゲート電極としての使用に最適な完全な長方形のグラファイトフィンガー(図4D)に成形することができます。このアプローチにより、特定の形状のグラファイトフレークを探すのにかかる時間が大幅に短縮されます。

図5:底部グラファイトゲートの転写 (A)PCフィルムに焦点を合わせ、2倍対物レンズの下にクリーンな領域が特定されました。(B)hBNフレークは、(A)で特定されたクリーン領域に焦点を絞って移動させた。(C)スタンプはウェーハに接触し、薄緑色の接触領域を形成し、色とりどりの右端が波面と呼ばれます。PCフィルムは底面のhBNフレークを完全に覆いました。(D)底部のhBNフレークを拾い上げ、フレークの色が半透明に見えた。(E)hBNとグラファイトフィンガーは、スタンプがウェーハに接触する前に、最終的な位置合わせに配置されました。(F)波面はグラファイトフィンガーに接近し、そこで係合速度は0.5μm/sに低下した。(H)グラファイトフィンガーは、下部のhBNフレークによって拾われました。(I)底部のグラファイトゲートは、160°Cで事前にパターン化されたマーカーウェーハ上に放出され、グラファイトフィンガーとTi/PdAu金属フィンガーとの間の接触を確保しました。(J)PC/PDMSスタンプ全体がウェーハに噛み合った。(K)PCフィルムをPDMSスタンプから分離しました。異なる色の領域間の透明な波面は、PCフィルムとPDMSスタンプの間の剥離を示していました。(左)PCフィルムがスライドガラスから剥がれ、ウェーハ上に下部のグラファイトゲートが残った。(A、B、J、K、L)のスケールバーは500μmを示します。(C、D、F)は90μmを示します。(E,G,H,I)は30μmを示します。この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。

2. グラファイトボトムゲートの準備
   1. 手順5の同様の手順に従って、下部のhBNフレーク(図3.3A-D)を持ち上げます。特に、底部のhBNフレークには、直線の結晶エッジと平行な波面は必要ありません(波面の定義については、ステップ3.3.8を参照してください)。
   2. グラファイトフィンガーでウェーハをサンプルステージに置きます。グラファイトフィンガーをカメラウィンドウの中央に置き、目的の方向に向けます。 [ピークスルー ] を使用して、Inkscape ウィンドウをカメラ ウィンドウの上に浮かべた状態で半透明にします。グラファイトフィンガーの境界線をInkscapeで囲みます。
   3. サンプルステージの温度を80°Cに設定します。 スライドガラスをロードし、プリエンゲージ位置に移動します(手順3.3.4および 図3Bを参照)。
   4. 3.4.5-3.4.10で説明されているのと同様の手順に従って、 図5Eに示すように、スタンプがウェーハに接触する前に、下部のhBNフレークとグラファイトフィンガーを位置合わせします。このアライメントにより、グラファイトフィンガーが底部のhBNフレークの清潔で均一な領域の下に配置されます。
   5. Z方向アクチュエータを使用して、波面がグラファイトフィンガーに近づくまで、PC / PDMSスタンプを5μm / sの速度でウェーハにかみ合わせます(図5F)。
   6. 速度を0.5μm / sに下げて、波面がグラファイトフィンガーをゆっくりと通過し、グラファイトを完全に覆うようにします(図5G)。
   7. 0.5μm / sの速度で波面を解除します。グラファイトフィンガーの色は、手に取ると紫色から半透明のダークグレーに変わります(図5H)。グラファイトが完全にピックアップされたら、5μm / sの速度で波面を完全に切り離します。
   8. ステップ3.5で説明したのと同様の手順に従って、サンプルステージ温度160°Cで、Ti/PdAuメタルフィンガー(図5I-L)に接触させ、下部のhBNフレークとグラファイトゲートをパターン化済みのマーカーウェーハにホットリリースします。
   9. ウェーハをクロロホルムに1時間浸して、PCフィルムをはがします。除去後、ウェーハをイソプロピルアルコールですすぎ、窒素スプレーガンでブロードライします。
      注:通常、PCフィルムを溶解するには、クロロホルムで20分で十分です。ここでは、ゲート表面をきれいにするために1時間を使用しています。
   10. ウェーハを石英管に入れ、成形ガス雰囲気(50%H_、2〜50%Ar)で350°Cで10時間アニールします。
   11. 光学顕微鏡を使用してボトムゲートを検査します。気泡のないボトムグラファイトゲートの明視野および暗視野顕微鏡画像を 図6A、Bに示します。
   12. AFMタッピングモードを使用して、ボトムゲートをスキャンします。気泡や不均一な構造がなく、領域の幅がゲートの幅よりわずかに大きいゲート領域を選択します。アニール後のゲート表面は、 図6Cに示すようにポリマー残渣で覆われています。
   13. 均一で気泡のないゲート領域を選択したら、最後のステップで使用したのと同じタッピングモードチップを使用して、AFMを標準接触モードに切り替えます。
       注意: タッピングモードチップはコンタクトモードチップよりも硬いため、より良いクリーニング結果が得られます。
   14. スキャンあたり512ラインの分解能で選択した領域をスキャンし、数十nNの先端に約20μm/sの速度で垂直抗力を加えて、表面のポリマー残留物を洗浄します。このステップは、チップクリーニングプロセスと呼ばれます。
   15. チップのクリーニングを1回行った後、AFMをタッピングモードに戻し、新しいタッピングモードのチップでクリーニング結果を確認します。
   16. ポリマーの残留物がゲート領域から側面に完全に除去されるまで、チップクリーニングプロセスを繰り返します(図6D)。

図6:事前に洗浄された気泡のないボトムグラファイトゲート。 (A,B)代表的な気泡のない底部グラファイトゲートの光学顕微鏡明視野(A)および暗視野(B)画像。チップクリーニング前の汚れたゲート表面(C)とチップクリーニング後のクリーンなゲート表面(D)のAFMトポグラフィー画像。ポリマー残基は横に掃引され、(D)で観察されるように2本の垂直線が得られます。(A,B)のスケールバーは30 μm、(C,D)のスケールバーは1 μmを示します 。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

3. 上部のhBNフレークを拾う
   1. ウェーハをサンプルステージに置き、10x対物レンズを使用して上部のhBNフレークを見つけます。
   2. hBNフレークの向きを調整して、直線の端が垂直になり、フレークの右側に配置されるまで調整します。次に、 Inkscape でフレーク境界の輪郭を描きます。この図は、後でhBNをグラフェンフレークに整列させるための参考資料として役立ちます。
      注:カメラと Inkscape のズームレベルは、フレークと図面の間の均一なスケールを維持するために、転送プロセス全体を通じて一貫している必要があります。
   3. PC/PDMSでスライドガラスをそっとclamp ソケットの内側に2°〜3°の下向きの傾斜角度で。スライドトレイを使用してソケットを左にスライドさせ、スライドガラスがサンプルウェーハの上に配置されるまで、手動で所定の位置にロックします。
   4. サンプルステージの温度を50°Cに設定します。 Z方向アクチュエータを使用して、スタンプがウェーハから2mm上になるまで、1 mm / sの高速でガラススライドを下向きにかみ合わせます。これで、システムはプリエンゲージ位置にあります(図3B)。
   5. 顕微鏡をPCフィルムに焦点を合わせ、表面の清浄度を検査します( 図5Aと同様)。スタンプが左からかみ合うため、hBNフレークと接触するスタンプの中心の少し左のきれいな領域を選択します。hBNフレークを選択したクリーン領域に移動します。
   6. スライドガラスをさらに下方に0.1 mm / sの速度でかみ合わせます。PCフィルムとウェーハがほぼ同じ焦点面にある場合は、速度を5μm/sに下げます。
   7. スタンプとウェーハの間に形成されたニュートンのリングを観察して、接触点を特定します。スムーズなピックアッププロセスを容易にするために、hBNが接触点から離れて右側に配置されていることを確認してください。そうでない場合は、プリエンゲージ位置に戻り、手順3.3.5〜3.3.7を繰り返してhBNの位置を調整します。
   8. スタンプがウェーハに接触すると、そのインターフェースは緑色の接触領域を示し、カラフルな右端は波面と呼ばれます。 図7Aに示すように、平行な波面はhBNのストレートエッジに固定しやすくなります。
      注:スタンプ面が傾く可能性があるため、波面はhBNストレートエッジと比較してわずかに傾く場合があります。グラフェンをピックアップするときにそれらが平行であることを確認するには、おおよその傾斜角度を記録し、ステップ3.4.3でゴニオメーターを使用して補正することを忘れないでください。
   9. さらに、スタンプがhBNフレークを完全に覆うまで、5μm/sの速度でウェーハにスタンプをかみ合わせます( 図5Cと同様)。次に、サンプルステージの温度を80°Cに設定します。
      注:PCフィルムの接着レベルが不明な場合は、最初にステージ温度を60°Cに設定し、次にhBNがスムーズにピックアップできるようになるまで徐々に上げます。
   10. 温度に達したら、波面がhBNのストレートエッジに近づくまで、5μm / sでスタンプを解除します。次に、速度を2μm / sに下げて、hBNをゆっくりとピックアップします。ピックアップしたら、速度を5μm / sに上げて、PCフィルムをウェーハから剥がします。
       注意: 引っ込み式の波面がhBNのストレートエッジに触れるときは、フレークの色を注意深く監視してください。ピックアップが成功すると透明になります。フレークがカラフルなままの場合は、スタンプを再度かみ合わせてフレークを覆い、より高い温度で上記の手順を繰り返します。PCフィルムは、温度が上昇するにつれて、フレークとウェーハの両方に密着性が高くなります。推奨される上限温度は120°Cです。 120°Cを超えると、PCフィルムがPDMSから剥がれる可能性がありますampはがれます stamp 解除する。PCフィルムの粘着性が不十分な場合は、スライドガラスに5〜10分間スタンプでUV /オゾン処理を施すことを検討してください。この処理により、PCフィルムの2D材料への接着性が向上し、フレークピックアップの成功率が向上します。
   11. ステージヒーターのスイッチを切り、水冷システムを開きます。温度が45°Cを下回るまで待ってから、水冷システムを閉じ、スライドガラスを1 mm / sの速度で完全に外します。hBNウェーハをステージから取り出します。
       注意: スライドガラスを高温で大幅に動かすと、壊れやすいフレークが乱れ、冷却後に折り目や亀裂が発生する可能性があります。深刻な折り目や亀裂が発生した場合は、これらの不均一な構造がグラフェンのスムーズなピックアップを妨げる可能性があるため、フレークを廃棄する必要があります。

図7:グラフェンモアレ超格子移動プロセスにおける重要なステップ。 (A)上部のhBNフレークを拾う前に撮影したズームアウト画像。PC/PDMSスタンプとウェーハの接触領域は薄緑色に見えます。特に、波面は上部のhBNフレークの直線エッジと平行です。(B)レーザーアブレーション後のグラフェンフレーク。中央のレーザー切断ラインは、ステップ3.1.5で述べたように、二重切断のために幅が広くなったグラフェン片と2番目のグラフェン片を分離します。他の2つのカットは、グラフェンのコア領域を長いグラフェンテールと厚いグラファイトチャンクから分離するためのもので、分離しないとピックアッププロセス中に余分なひずみを誘発する可能性があります。(C)hBNとグラフェンは、最初のグラフェン片をピックアップする前に、最終的なアライメント位置にいます。(D)波面はhBNの左端に非常に近く、係合速度は0.02μm/sに低下するはずです。(F)波面は最初のグラフェン片を完全に通過し、hBNストレートエッジによって固定されます。(g)hBNはグラフェンをスムーズに拾い上げています。(H)フレークは、2番目のグラフェン片を拾う前に、それぞれの図面に整列します。hBNと元のグラフェン図面の境界は黒で描かれ、回転後にコピーされたグラフェン図面は青で描かれています。(I)(A-H)を介して製造されたトップスタックの光学顕微鏡画像で、スタック内の微細な特徴を示すために色のコントラストが最適に調整されています。最小限の無秩序が同定され、高品質のねじれた二重層グラフェンのトップスタックを示しています。すべての画像のスケールバーは30μmを表していますが、(A)では200μmを表しています。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

4. グラフェンモアレ超格子を拾う
   1. レーザーカットしたばかりのグラフェンを載せたウェーハをサンプルステージに置きます。10倍対物レンズを使用してグラフェンの位置を特定し、 図7Bに示すように、レーザー切断線がhBNの直線エッジと平行になるようにフレークの向きを調整します。
   2. Inkscape でグラフェンの境界 (レーザー切断線を含む) の輪郭を描きます。[ピークスルー]を使用して、カメラ ウィンドウの上に浮かんでいる間に図面を半透明にします。
   3. ステップ3.3.8の観察に基づいて、波面とhBNストレートエッジの間の傾きを補正するようにゴニオメーターを調整します。
   4. スライドガラスに上部のhBNフレークをセットし、グラフェンウェーハの2mm上にPC / PDMSスタンプを付けてプリエンゲージ位置に移動します。
   5. hBNのストレートエッジを、中央のグラフェンピースを分離するレーザー切断ラインの中央に配置して、hBNとグラフェンの図面を位置合わせします。グラフェンに焦点を合わせるように顕微鏡を調整し、 Inkscapeでグラフェンの描画に合わせます。
   6. 上部のhBNフレークに焦点を合わせ、スライドガラスをXY方向に動かして、hBNをその図面に合わせます。これで、プリエンゲージ位置での大まかなアライメントが完了します。
   7. カット済みのグラフェンに焦点を合わせ、焦点面を少し上に調整します。上部のhBNフレークに焦点が合うまで、0.1 mm / sの速度でスライドガラスを下向きにかみ合わせます。この時点で、hBNとプレカットグラフェンは近接しています。
   8. グラフェンに再び焦点を合わせます。速度を5μm/sに設定し、hBNが大まかに見えるまでスタンプをゆっくりとかみ合わせ、スタンプとウェーハが接触しないようにします。
   9. グラフェンとトップhBNの両方をそれぞれの図面に合わせ直します。これは、スタンプがウェーハに接触する前の最終的なアライメントとして機能します。フレークは、 図 7C に示すように、適切に整列しています。
      注:スタンプがウェーハに接触したら、それ以上のアライメント調整は避けてください。スタンプを動かすと、PCフィルムやhBNに過度のひずみがかかることがあります
   10. スタンプがウェーハに接触するまで、スタンプを下向きにかみ合わせ続けます。波面がhBNの直線エッジに対して平行でない場合は、ステップ3.4.3から再開してゴニオメーターを再調整します。目標は、 図7Aに示すように、平行な波面を実現することです。
   11. z軸ステージのヒステリシスレベルを評価するには、波面の動きを監視しながらスタンプを連続的に上向きに動かします。最初に数μm前進し、その後後退し始める場合、このスライドガラスでステージが明らかなヒステリシスを示すことを示しています。一方、波面が前進せずにすぐに引っ込む場合、このスライドガラスではステージに明らかなヒステリシスは見られません。
       注:ヒステリシスは、hBNストレートエッジの波面ピンニングに影響を与え、過剰に噛み合い、後続のグラフェン片の汚染につながる可能性があります。したがって、ヒステリシスが観察される場合は、機械的方法(ステップ3.4.12)の代わりに、DC電流加熱方法(ステップ3.4.13)を次の係合プロセスに使用することが好ましいです。
   12. 機械的方法(ヒステリシスなし):5 μm/sの速度を使用して、波面がhBNの左端に近づくまでスタンプを噛み合わせます(図7D)。速度を0.02μm/sに下げてから、この非常に遅い速度を使用して、hBNを最初のグラフェンピースに噛み合わせます(図7E)。最初のグラフェン片を完全に覆い、hBNのストレートエッジに固定されたら(図7F)、係合プロセスを停止します。波面が引っ込む傾向があるまで、ステージを5μm/sの速度で上向きに動かして、ヒステリシスをクリアします。
       注:hBNストレートエッジですぐに停止しないと、波面が次のグラフェンピースに過剰に噛み合って汚染する可能性があるため、ゆっくりと噛み合うプロセスを注意深く監視してください。
   13. DC電流加熱法(ヒステリシス付き):5μm/sの速度を使用して、波面がhBNの左端に近づくまでスタンプを噛み合わせます(図7D)。波面が引っ込み始めるまでstampを上向きに外すことにより、ヒステリシスをクリアします。サンプルステージヒーターに小さなDC電流を流して、ステージをゆっくりと制御的に加熱し、温度上昇速度を0.5〜1°C/分にします。
       注意: stampの熱膨張により、波面は継続的に噛み合います(図7E)。最初のグラフェン片を完全に覆い、hBNの直線端でピン留めされたら(図7F)、DC電流を停止します。
   14. 離脱速度を0.02μm / sに設定して、グラフェンを静かにピックアップします(図7G)。波面がhBNから離れるのを待ってから、速度を5μm/sに上げて、スタンプをウェーハから完全に取り外します。
   15. スタンプとウェーハが完全に剥がれたら、スタンプを5μm/sの速度でさらに3秒間上方向に動かし、PCフィルムまたはウェーハからすべてのフレークが剥がれていることを確認します。そうしないと、ねじるとPCフィルムにしわが寄ってしまいます。
   16. グラフェン図面全体を Inkscape でコピーし、希望のねじれ角度(MATBGの場合は±1.13°)で回転させます。混乱を防ぐために、コピーした図面を別の色に変更します( 図7Hの青)。コピーした図面の 2 番目のグラフェンピースを元の図面の最初のピースに位置合わせし、オーバーラップを最大化します。
       注意: 経験に基づくと、デバイスの最終的なねじれ角度は、通常、転送プロセス中に目標とされる角度よりも小さくなります。そのため、通常は「マジックアングル」よりもわずかに高い(~0.05°)設定されており、これがMATBGデバイス製造の±1.13°を目標とする理由です。
   17. サンプルステージを希望のねじれ角度(MATBGの場合は±1.13°)回転させます。ウェーハ上の残りのグラフェンをコピーしたグラフェン図面に合わせます。正確なねじれ角度制御は、回転ステージのDCサーボモーターを介して実現され、2μradの分解能と無視できるヒステリシスで360°の連続回転を提供します。
   18. スライドガラスの一番上のhBNフレークに焦点を合わせ、図面に合わせます。hBNと残りのグラフェンがすでに近接していることを考えると、このアライメントは最終的なアライメントとして機能します(図7H)。
   19. 手順3.4.12〜3.4.14を繰り返して、ねじれたグラフェンピースを拾います。これが最後に拾うグラフェンピースである場合、波面はhBNのストレートエッジを横切って過剰に噛み合い、スタック内の気泡をより完全に絞り出すことができます。
   20. この段階で、グラフェンモアレ超格子は、トップスタックと総称されるトップhBNフレークによって完全に拾われます。
   21. 光学顕微鏡を使用してトップスタックの品質を調べます。色とコントラストの強い明視野イメージを、手順 3.5.2 で使用するために保存しておきましょう。 図7Iでは、目に見える気泡がほとんどない高品質のねじれた二層グラフェントップスタックが示されています。
5. グラフェンモアレ超格子をカプセル化する
   1. 事前に洗浄された気泡のないボトムゲートを備えたウェーハをサンプルステージに置きます。10x対物レンズを使用して下部ゲートを見つけます。
   2. トップスタックのカラーコントラスト明視野画像を Inkscape にインポートし、図面に揃えます。上部スタックの気泡のないグラフェンモアレ超格子領域の境界を特定し、アウトラインを描きます。これは下部ゲートにオーバーレイされます。
   3. ゲートの向きを調整して、バブルフリーのトップスタックの最大領域をカバーします。次に、下部ゲートの境界を概説します。
   4. 封止後にPCフィルムをはがすには、サンプルステージの温度をPCのガラス転移温度(147°C)よりも高い160°Cに設定します。
   5. スライドガラスを一番上のスタックにセットし、事前にかみ合った位置に移動します。下部のゲートと上部のスタックの両方を図面に大まかに位置合わせします。
   6. 下部ゲートに焦点を合わせ、焦点面を少し上げます。スライドガラスを0.1 mm / sの速度で下向きにかみ合わせ、上部のスタックが焦点面に見えるようにします。
   7. 下部ゲートと上部スタックの間に別の中央焦点面を特定します。速度を5μm/sに設定し、トップスタックが見えてくるまでスタンプを徐々にかみ合わせます。
      注:120°Cを超える温度では、スタンプがウェーハに接触すると、それらを分離することが非常に困難になります。中央の焦点面を基準として使用すると、最適なアライメントが達成されるまでスタンプとウェーハが接触しないようにします。
   8. 手順3.5.7を繰り返して、ボトムゲートとトップスタックがほぼ同じ焦点面に来るようにします。それらを図面に正確に位置合わせします。これは、スタンプがウェーハに接触する前の最終的なアライメントとして機能します。その間、サンプルステージは約160°Cに達します。
      注意: 高温は空気の対流を引き起こし、カメラの画像の振動を引き起こし、正確な位置合わせを複雑にします。ただし、熱によるねじれ角の緩和を防ぐために、アライメントを迅速に完了することが不可欠です。したがって、かなりの練習が必要です。
   9. 5μm/sの速度で、スタンプがウェーハに接触するまでスタンプをかみ合わせます。波面がボトムゲートに近づいたら、速度を0.5μm/sに下げます。
   10. 上部のスタックを下部のゲートにゆっくりとかみ合わせます。波面がトップスタックを通過したら、5μm/sに切り替えて、スタンプ全体をウェーハにかみ合わせます( 図5Jと同様)。
       注意: トップスタックをかみ合わせるときは、波面を慎重に制御してください。プロセスがスムーズになると、最終スタックで目標のねじれ角度が維持される可能性が高くなります。
   11. 1分間待ってPCフィルムが完全に柔らかくなったことを確認してから、5μm / sの速度でstampをはがします。PCフィルムはウェハに付着したまま、PDMSスタンプが引っ込み、その間に透明な波面を形成します( 図5Kと同様)。
   12. 波面が完全に引っ込められるとすぐに、PCフィルムとPDMSスタンプが完全に剥がれます。stampを5μm / sの速度でさらに3秒間上に持ち上げてから、PCフィルムをはがすために動かし始めます( 図5Lと同様)。
   13. PCフィルムをはがした後、スライドガラスを1 mm / sの速度で完全に外し、ソケットから取り外します。ステージヒーターをオフにし、水冷システムを作動させます。ステージが室温まで冷えたら、ウェーハを取り出し、カプセル化されたグラフェンモアレ超格子を光学顕微鏡で検査します。

4. グラフェンモアレ超格子デバイスのためのホールバー形状の定義

1. ウェーハをクロロホルムに20分間浸して、PCフィルムをはがします。クロロホルム溶液から取り出したイソプロピルアルコールでウェーハをすすぎ、ブロードライします。
2. 光学顕微鏡を使用してスタックを再度検査し、PCフィルムの除去後もスタックが変わらないことを確認します。次に、AFMタッピングモードを使用して、カプセル化されたグラフェンモアレ超格子をスキャンします。気泡、亀裂、張力のない領域を対象デバイス領域として選択します。このプロセスにより、高度に不規則な領域が除外され、異なるサンプル間でのねじれ角度の一貫性が向上します。
3. 電子ビームリソグラフィー(EBL)を使用して接触配置を定義し、次に反応性イオンエッチング(RIE)と標準的なhBNエッチングレシピ(CHF₃ およびO₂ 混合物)を使用して、新鮮なグラフェンエッジを露出させます。Cr/Au一次元エッジコンタクト²⁹ は、エッチング直後に熱蒸着される。
4. EBL と RIE を使用して、最終的なホール バー デバイスのジオメトリを定義します。以上でグラフェンモアレ超格子デバイスの作製は完了です。

結果

グラフェンモアレ超格子デバイスの特性評価のために、低温輸送測定を行いました。MATBGを例にとると、高品質のマジックアングルデバイスの典型的なランダウファン図を図8A22に示します。フラットバンドの充填率ν = 4n/n_s は系のキャリア密度を表し、n はキャリア密度、n_s = は超格子密度です ( = 0.246 nm はグラフェン格子定数です)。4 回縮退したランダウ扇風機は、電荷中立点 (ν = 0) と超格子ギャップ (ν = ±4) から...

ディスカッション

グラフェン層間に小さなねじれ角を課すと、ヘテロ構造内に重大な乱れが生じる可能性があります。したがって、高品質のグラフェンモアレ超格子デバイスの作製の成功率を最大化するためには、位置、角度、温度を正確に制御できる高度に調整可能な転写セットアップが不可欠です。さらに、製造プロセス中のいくつかの重要な側面が特定されます:厳格なフレーク選択基準、事前に洗浄された気泡のないボトムゲート、グラフェンレーザーアブレーション、そして最も重要なのは、室温でサブミクロンの速度で事前にカットされたグラフェン片のスムーズなピックアップです。

このプロトコルの転送プロセスは、 図3Aに示すように、高度に調整可能なカスタムビルドの転送セットアップで実行されます。装置全体は、振動騒音を最小限に抑えるためにパッシブ防振装置に取り付けられています。2倍、10倍、50倍の長作動距離対物レンズを備えた顕微鏡を使用して、コンピューターに接続されたCMOSカメラで転写プロセスを視覚化します。サンプ...

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
ベンチトップ防振プラットフォーム	Minus K Technology, Inc	100BM-8	特注のトランスファーセットアップ用の防振
カラーカメラ	Teledyne FLIR LLC	BFS-U3-200S6C-C	カスタムビルドのトランスファーセットアップ用のCMOSカメラ
ヤフラムポンプ	Pfeiffer Vacuum	MVP 015-2	ステージ
にウェーハを固定するための真空吸引力を提供しますダイレクトドライブ回転ステージ	Thorlabs, Inc	DDR 100	特注のトランスファーセットアップ用回転ステージ
人間工学に基づいた高倍率顕微鏡	Mitutoyo	FS70	注トランスファーセットアップ用顕微鏡本体
ニオメーターステージ	Thorlabs, Inc	GNL 18 および GNL 10	スライドガラスの傾斜角度を制御
グラファイト結晶	NGS Trading &Consulting GmbH Flaggy	Flakes	グラフェン剥離用の平らで光沢のあるグラファイト結晶
高出力超連続体ファイバーレーザー	Fianium, Inc	SC-400	グラフェンレーザーアブレーション用
コントローラー内蔵マイクロリニアアクチュエータ	Zaber Technologies	X-NA08A25 X-Y	ステージ制御
ミツトヨ 10x M プラン APO 対物レンズ	ミツトヨ	378-803-3	移送ステージで使用される 10x 対物レンズ
ミツトヨ 2x M プラン APO 対物レンズ	ミツトヨ	378-801-12	トランスファーステージで使用される2x対物レンズ
ツトヨ50x MプランAPO対物レンズミ	ツトヨ	378-805-3	トランスファーステージで使用される50倍対物レンズ電動
アクチュエータ	Zaber Technologies	TRB12CC	X-Y-Zスライドガラスホルダーステージの制御
ポリ(ビスフェノール A カーボネート)	リポアシグマ	181641-25G	PC 粒子、PC/PDMS スタンプ付きスライドガラス製造用 プライ
ムグレード Si ウェーハ	NOVA Electronic Materials	FP02-61160-DO	2D 材料剥離用 P ドープ Si ウェーハ。詳細な説明: 6インチ P <100> .001-.005 オーム-cm 650-700&MUm 厚いプライムグレードSSP Siウェーハ、プライマリーフラットのみ &2850 A°±5% 乾燥熱酸化物
シリコーンフリー 青色粘着プラスチックフィルム	Ultron Systems, Inc	1005R/1009R	2D 材料の角質除去用青色テープ
SYLGARD 184 シリコーン封止材 Clear	Dow Inc.	4019862	PDMSスタンプの製造 アルミニウム
反射コーティングを施したタッピングモードAFMプローブ	革新的なソリューション ブルガリア株式会社	Tap300Al-G	チップクリーニングに使用されるタッピングモードチップ
XY手動リニアステージ	ニューポートコーポレーション	M-462-XY	XYサンプルステージ カスタムビルドトランスファーセットアップ用
XYZ手動リニアステージ	ニューポートコーポレーション	M-562-XYZ	X-Y-Zスライドガラスホルダーステージ(特注搬送セットアップ用