In dit werk beschrijven we een techniek die wordt gebruikt om nieuwe kristallen (van der Waals heterostructures) te maken door het stapelen van ultradunne gelaagde 2D-materialen met nauwkeurige controle over positie en relatieve oriëntatie.
Methodenartikel
In dit werk beschrijven we een techniek die wordt gebruikt om nieuwe kristallen (van der Waals heterostructures) te maken door het stapelen van ultradunne gelaagde 2D-materialen met nauwkeurige controle over positie en relatieve oriëntatie.
In dit werk beschrijven we een techniek voor het maken van nieuwe kristallen (van der Waals heterostructures) door het stapelen van verschillende ultradunne gelaagde 2D materialen. We demonstreren niet alleen laterale controle, maar, belangrijk, ook controle over de hoek uitlijning van aangrenzende lagen. De kern van de techniek wordt vertegenwoordigd door een huisgemaakte Transfer Setup waarmee de gebruiker de positie kan bepalen van de individuele kristallen die bij de overdracht betrokken zijn. Dit wordt bereikt met sub-micrometer (translationele) en sub-graden (hoekige) precisie. Voordat ze samen worden gestapeld, worden de geïsoleerde kristallen individueel gemanipuleerd door op maat ontworpen bewegende stadia die worden bestuurd door een geprogrammeerde software-interface. Bovendien kan de gebruiker, aangezien de gehele overdrachts instelling computergestuurd is, op afstand precieze Heterostructuren creëren zonder in direct contact te komen met de overdrachts instellingen, waarbij deze techniek als "Handsfree" wordt gelabeling. Naast het presenteren van de transfer, beschrijven we ook twee technieken voor het bereiden van de kristallen die vervolgens gestapeld worden.
Onderzoek in het ontluikende veld van tweedimensionale (2D) materialen begon nadat de onderzoekers een techniek ontwikkelden die de isolatie van grafeen1,2,3 (een atomisch vlakke plaat van koolstofatomen) van Graphite. Graphene is een lid van een grotere klasse van gelaagde 2D-materialen, ook wel van der Waals materialen of kristallen genoemd. Ze hebben een sterke covalente intralayer binding en zwakke van der Waals tussenlaag koppeling. Daarom kan de techniek voor het isoleren van grafeen uit grafiet ook worden toegepast op andere 2D-materialen waar men de zwakke tussenlaag bindingen kan breken en enkele lagen isoleert. Een belangrijke ontwikkeling in het veld was de demonstratie dat, net zoals de van der Waals-obligaties die aangrenzende lagen van tweedimensionale materialen in elkaar houden, kunnen worden gebroken, ze ook samen2,4kunnen worden teruggeplaatst. Daarom kunnen kristallen van 2D-materialen worden gemaakt door lagen van 2D-materialen met verschillende eigenschappen op elkaar te stapelen. Dit stimude veel belangstelling, omdat materialen die voorheen onbestaande waren in de natuur kunnen worden gecreëerd met als doel het ontdekken van voorheen ontoegankelijke fysieke verschijnselen4,5,6,7 ,8,9 of het ontwikkelen van superieure apparaten voor technologie toepassingen. Daarom is het hebben van precieze controle over het stapelen van 2D-materialen een van de belangrijkste doelen in het onderzoeksveld10,11,12geworden.
In het bijzonder bleek de draaihoek tussen aangrenzende lagen in van der Waals halfgeleiderheterostructuren een belangrijke parameter te zijn voor het beheersen van materiaaleigenschappen13. In sommige hoeken kan de introductie van een relatieve twist tussen aangrenzende lagen bijvoorbeeld de twee lagen effectief elektronisch ontkoppelen. Dit werd bestudeerd zowel in grafeen14,15 als in overgangsmetalen dichalcogenides16,17,18,19. Meer recentelijk werd het verrassend gevonden dat het ook de toestand van de materie van deze materialen kan veranderen. De ontdekking dat dubbelgelaagde grafeen gericht op een "magische hoek" gedraagt zich als een Mott isolator bij lage temperaturen en zelfs een supergeleider wanneer de elektronen dichtheid correct is afgesteld heeft grote belangstelling gewekt en een realisatie van het belang van de hoekige controle bij het fabriekeren van gelaagde van der Waals halfgeleiderheterostructuren13,20,21.
Gemotiveerd door de wetenschappelijke kansen die zijn ontstaan door het idee van het afstemmen van de eigenschappen van nieuwe van der Waals materialen door het aanpassen van de relatieve oriëntatie tussen de lagen, presenteren we een huis gebouwd instrument samen met de procedure om dergelijke structuren te creëren met hoekige controle.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
1. instrumentatie voor de overdrachtsprocedure
2. mechanische exfoliatie van een 2D kristal.
3. PMMA-PVA methode voor het vervaardigen van van der Waals halfgeleiderheterostructuren (bovenste substraat preparaat).
4. Polydimethylsiloxaan (PDMS) stampende methode voor het vervaardigen van van der Waals halfgeleiderheterostructuren (bovenste substraat preparaat).
5. het overbrengen van vlokken van het bovenste substraat naar het bodemsubstraat met behulp van de PMMA-PVA-methode (figuur 3e-h).
6. het overbrengen van vlokken van de bovenste ondergrond naar de bodemsubstraat met behulp van de stempelen methode (figuur 4D-f).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Ter illustratie van de uitkomsten en effectiviteit van onze procedure presenteren we een opeenvolging van hoek-gecontroleerde stapels van renium bisulfide (ReS2) dunne kristallen. Om te benadrukken dat de beschreven methode ook kan worden toegepast op atomisch dunne lagen, illustreren we ook de constructie van twee relatief gedraaide monolagen molybdeen-bisulfide (MoS2).
Om de hoek uitlijning mogelijkheden ...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De huisgemaakte overdrachts instellingen die hier worden gepresenteerd, bieden een methode voor het bouwen van nieuwe gelaagde materialen met zowel laterale als roterende controle. In vergelijking met andere oplossingen beschreven in de literatuur10,25, ons systeem vereist geen complexe infrastructuur, maar het bereikt het doel van gecontroleerde uitlijning van 2D kristallen.
De meest kritieke stap in de procedure is het uitlijnen en p...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De auteurs hebben niets te onthullen. De auteurs hebben geen concurrerende financiële belangen.
De auteurs erkennen de financiering van de Universiteit van Ottawa en NSERC Discovery Grant RGPIN-2016-06717 en NSERC SPG QC2DM.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| 5X objectieflens | Nikon Metrology | MUE12050 | 23,5 mm werkafstand en 0,15 numerieke opening |
| 50X objectieflens | Nikon Metrology | MUE21500 | 19 mm werkafstand en 0,4 numerieke opening |
| 100X objectieflens | Nikon Metrology | MUE21900 | 4,5 mm werkafstand en 0,8 numerieke opening |
| Aceton | Sigma-Aldrich | 270725 | Zuiverheid ≥99,90% |
| Kleefband | Ultron Systems, Inc. | ||
| Anisol | MicroChem | ||
| Atomaire krachtmicroscoop | Bruker | Dimension Icon | We gebruiken typisch de ScanAsyst-modus |
| Onderste trap draaimanipulator | Zaber Technologies | X-RSW60A-PTB2 | 360° beweging met stapgrootte van 4,091 μrad |
| Onderste trap X-manipulator | Zaber Technologies | X-LSM025A-PTB2 | 25 mm beweging met stapgrootte van 47,625 nm |
| Onderste trap Y-manipulator | Zaber Technologies | X-LSM025A-PTB2 | 25 mm beweging met stapgrootte van 47,625 nm |
| Onderste trap Z-manipulator | Zaber Technologies | X-VSR40A-KX14A | 40 mm beweging met stapgrootte van 95,25 nm |
| Isopropanol | Sigma-Aldrich | 563935 | Zuiverheid 99,999% |
| LabVIEW software | National Instruments | ||
| Macor | McMaster-Carr | 8489K238 | |
| Microscoopcamera | Zeiss | 426555-0000-000 | 5 megapixel, 47 fps live framesnelheid, belichtingstijd van 100 μs - 2 s, kleurencamera |
| Molybdeendisulfide (MoS2) | HQ Graphene | ||
| Optisch breadboard | Thorlabs, Inc. | MB4545/M | |
| Optisch microscoop | Nikon Metrology | LV150N | |
| Zuurstofplasmeetser | Plasma Etch, Inc. | PE-50 | |
| PDMS stempel | Gel-Pak | PF-20-X4 | |
| PMMA 950 A6 | MichroChem Corp. | M230006 0500L1GL | |
| Polypropyleencarbonaat | Sigma-Aldrich | 389021-100g | |
| PVA Partall #10 | Composites Canada | ||
| Rheniumdisulfide (ReS2) | HQ Graphene | ||
| Si/SiO2 substraat | Nova Electronics Materials | HS39626-OX | |
| Spin coater | Laurell Technologies | WS-650-23 | |
| Temperatuurregelaar | Auber Instruments | SYL-23X2-24 | Regelt de temperatuur van de onderste trap via een J-type thermokoppel |
| Top trap controller unit | Mechonics | CF.030.0003 | |
| Top trap X-manipulator | Mechonics | MS.030.1800 | 18 mm beweging met stapgrootte van 11 nm |
| Top trap Y-manipulator | Mechonics | MS.030.1800 | 18 mm beweging met stapgrootte van 11 nm |
| Top trap Z-manipulator | Mechonics | MS.030.3000 | 30 mm beweging met stapgrootte van 11 nm |
| Ultrasoonbad | Elma Schmidbauer GmbH | Elmasonic P 30 H |
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken
Toestemming aanvragen