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

2次元材料とそのヘテロ構造の量子電子特性に焦点を当て、新しい量子現象の発見・研究や新しい電子デバイスの開発を目指しています。私たちは、2次元材料のヘテロ構造の特性が層間の角度の関数として変化するツイストターニングの分野を開拓しました。最も影響力のある発見は、魔法血管造影における超接続性でした。

ナノ加工プロセス中にヒーターひずみ障害と格子緩和が発生するため、正確なねじれ角を達成することは依然として困難であり、多くの場合、均質性を考案し、サンプル間の再現性を制限します。このプロトコルは、均一性と歩留まりを向上させるために各製造ステップを最適化し、より多くの研究者が高品質のグラフェンモアレデバイスを確実に構築できるようにし、この分野の進歩を加速させた経験を反映しています。

[ナレーター]まず、スーパーコンティニュームレーザーと統合されたトランスファーセットアップのサンプルステージにグラフェンウェーハを配置します。覗き見を使用して、カメラ ウィンドウの上に浮かんでいる間、Inkscape ウィンドウを半透明にします。Inkscape の BZA 曲線と直線の描画機能を使用して、グラフェンの境界と計画されたレーザー切断線の輪郭を描きます。次に、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点に合わせます。次に、サンプルステージを動かして、計画されたレーザー切断ラインに沿ってビームスポットをガイドします。レーザー強度をゼロにした後、レーザー切断ラインを検査します。計画されたすべてのラインがレーザーカットされるまで、手順を繰り返します。上部の六角形の亜硝酸ホウ素フレークを拾うには、直線定規が垂直になり、右側に配置されるまでフレークの向きを調整します。スライドガラスをソケット内のPCとPDMSスタンプで2〜3度の下向き傾斜角度でそっとクランプします。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、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、手動で所定の位置にロックします。サンプルステージの温度を摂氏50度に設定した後、Z方向アクチュエーターを使用してスライドガラスを下向きにかみ合わせます。顕微鏡をポリカーボネートフィルムに焦点を合わせ、表面の清浄度を検査します。六角形の窒化ホウ素フレークを選択したクリーン領域に移動し、スライドをさらに下にかみ合わせます。次に、スタンプを毎秒5マイクロメートルの速度でウェーハにかみ合わせ、六角形の窒化ホウ素フレークを完全に覆うまで、サンプルステージの温度を摂氏80度に設定します。サンプルステージの温度が摂氏80度に達したら、波面が六角形の亜硝酸ホウ素の直定規に近づくまで、毎秒5マイクロメートルでスタンプを外し、毎秒2マイクロメートルの速度でフレークをピックアップします。拾ったら、速度を毎秒5マイクロメートルに上げて、ポリカーボネートフィルムをウェーハから剥がします。ステージヒーターの電源を切り、水冷システムを開きます。温度が摂氏45度を下回ったら、水冷システムを閉じてください。スライドガラスを毎秒1ミリメートルで完全に外します。レーザーカットしたばかりのグラフェンを入れた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の位置を特定します。レーザー切断線が六角形の窒化ホウ素の直定規と平行になるようにフレークの向きを調整します。レーザー切断ラインを含む、Inkscape でグラフェンの境界の輪郭を描きます。次に、上部の六角形の窒化ホウ素フレークを備えたスライドガラスを、グラフェンウェーハの2ミリメートル上のPCとPDMSスタンプで事前に係合した位置に移動します。フレークの直定規をレーザーカットラインの中心に合わせ、六角形の窒化ホウ素をグラフェン図面に合わせます。顕微鏡を調整してグラフェンに焦点を合わせ、Inkscapeの図面に合わせます。次に、上部のフレークに焦点を合わせ、スライドガラスをXY方向に移動して図面に合わせます。プレカットされたグラフェンよりわずかに高い焦点面に再び焦点を合わせた後、上部のフレークに焦点が合うまでスライドガラスを毎秒0.1ミリメートルで下にかみ合わせます。グラフェンに再び焦点を合わせ、速度を毎秒5マイクロメートルに設定します。フレークが大まかに見えるまで、ウェーハに接触しないようにしながら、スタンプをゆっくりとかみ合わせます。スタンプがウェーハに接触するまで下向きに噛み合わせ続けます。波面がフレークの左端に近づくまで、スタンプを毎秒0.5マイクロメートルでかみ合わせます。速度を毎秒0.02マイクロメートル下げ、最初のグラフェン片に接触するまで係合を続けます。フレークが最初のグラフェン片を完全に覆い、直線エッジに固定されたら、噛み合いを中止します。波面が後退し始めるまでステージを毎秒5マイクロメートルで上向きに動かすことで、ヒステリシスを解消します。 脱離速度を毎秒0.02マイクロメートルに設定して、グラフェンを優しく持ち上げます。波面がフレークから遠ざかったら、速度を毎秒5マイクロメートルに上げて、スタンプをウェーハから完全に切り離します。次に、グラフェンの図面全体をInkscapeにコピーし、希望のねじれ角度で回転させます。コピー図面の 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合わせて、オーバーラップを最大化します。サンプルを希望のねじれ角度だけ回転させます。ウェーハに残っているグラフェンをコピーした図面に合わせます。スライドガラスの上部の六角形の窒化ホウ素フレークに焦点を合わせ、図面に合わせます。フレークを図面に合わせた後、示された手順を繰り返して残りのグラフェンを拾います。手に取ったら、顕微鏡でトップスタックの品質を調べます。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。Inkscapeを使用して下部ゲートの境界の輪郭を描きます。上部スタックの図面を下部ゲートの図面に合わせ、ねじれた二重層グラフェンをグラファイトフィンガーに配置します。サンプルステージの温度を摂氏160度に設定して、カプセル化後にポリカーボネートフィルムを剥がし、スライドガラスをトップスタックにロードし、事前に係合した位置に移動します。下部ゲートと上部スタックの両方を図面に大まかに揃えます。下部ゲートに焦点を合わせ、焦点面を少し上げます。ボトムゲートとトップスタックの間の別の中央焦点面を特定し、速度を毎秒5マイクロメートルに設定し、トップスタックが見えるまでスタンプをかみ合わせます。両方を図面に正確に位置合わせします。サンプルステージが摂氏150度を超える場合は、波面がボトムゲートに近づくまでスタンプを毎秒5マイクロメートルでかみ合わせ、次に速度を毎秒0.5マイクロメートルに下げます。上部のスタックを下部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、速度を毎秒5マイクロメートルに戻してスタンプをウェーハに完全にかみ合わせ、スタンプを毎秒5マイクロメートルで外します。スタンプをウェーハから完全に分離した後、スタンプを毎秒5マイクロメートルで3秒間上に持ち上げます。XY方向に動かし始めて、ポリカーボネートフィルムを剥がします。スライドガラスを毎秒1ミリメートルで完全に外し、ソケットから取り外します。ステージヒーターのスイッチを切り、水冷システムを作動させます。温度が室温まで下がったら、ウェーハを取り外し、光学顕微鏡で検査します。高品質のマジックアングルツイスト二重層グラフェンデバイスの電荷中性点と超格子ギャップの両方から4倍縮退ランドアウトファンが出現し、より高い磁場で2倍または1倍の縮退に分解されました。対称性が2倍に破られた縮退したランドアウトファンは、半分の充填状態で識別され、相関する絶縁挙動を示しています。超電導ドームは、半分の充填状態付近のランドアウトファンの下にありました。温度依存抵抗測定により、半充填状態の両側に2つの超電導ドームがあり、最高臨界温度は約1.7ケルビンに達していることが明らかになりました。14の測定デバイスのうち、最適臨界温度は1.08度付近のねじれ角でピークに達し、理論的予測と一致しました。マジックアングル付近の無秩序なデバイスは、抵抗対温度プロファイルに見られるように、高品質のデバイスと比較して臨界温度が大幅に低下しました。これらの観察結果は、高品質のグラフェンベースのモアレ超格子デバイスを実現するために製造手順を最適化することの重要性を強調しています。