W tej pracy opisujemy technikę, która jest używana do tworzenia nowych kryształów (heterostruktur van der Waalsa) poprzez układanie ultracienkich warstw materiałów 2D z precyzyjną kontrolą pozycji i względnej orientacji.
Artykuł metodologiczny
W tej pracy opisujemy technikę, która jest używana do tworzenia nowych kryształów (heterostruktur van der Waalsa) poprzez układanie ultracienkich warstw materiałów 2D z precyzyjną kontrolą pozycji i względnej orientacji.
W tej pracy opisujemy technikę tworzenia nowych kryształów (heterostruktur van der Waalsa) poprzez układanie w stos odrębnych, ultracienkich, warstwowych materiałów 2D. Demonstrujemy nie tylko kontrolę boczną, ale co ważne, także kontrolę nad wyrównaniem kątowym sąsiednich warstw. Rdzeń tej techniki jest reprezentowany przez domową konfigurację transferu, która pozwala użytkownikowi kontrolować położenie poszczególnych kryształów biorących udział w transferze. Osiąga się to z precyzją submikrometryczną (translacyjną) i substopniową (kątową). Przed ułożeniem ich razem, izolowane kryształy są indywidualnie manipulowane przez specjalnie zaprojektowane ruchome stopnie, które są kontrolowane przez zaprogramowany interfejs oprogramowania. Co więcej, ponieważ cała konfiguracja transferu jest sterowana komputerowo, użytkownik może zdalnie tworzyć precyzyjne heterostruktury bez bezpośredniego kontaktu z konfiguracją transferu, określając tę technikę jako "bez użycia rąk". Oprócz przedstawienia konfiguracji transferu, opisujemy również dwie techniki przygotowania kryształów, które są następnie układane w stosy.
Badania w rozwijającej się dziedzinie materiałów dwuwymiarowych (2D) rozpoczęły się po tym, jak badacze opracowali technikę, która umożliwiła izolację grafenu1,2,3 (atomowo płaski arkusz atomów węgla) z grafitu. Grafen należy do większej klasy warstwowych materiałów 2D, określanych również jako materiały van der Waalsa lub kryształy. Mają silne kowalencyjne wiązanie wewnątrzwarstwowe i słabe sprzężenie międzywarstwowe van der Waalsa. Dlatego technika izolowania grafenu od grafitu może być również stosowana do innych materiałów 2D, w których można zerwać słabe wiązania międzywarstwowe i wyizolować pojedyncze warstwy. Jednym z kluczowych osiągnięć w tej dziedzinie było wykazanie, że tak jak wiązania van der Waalsa utrzymujące sąsiadujące ze sobą warstwy materiałów dwuwymiarowych mogą zostać zerwane, tak samo można je ponownie złożyć2,4. Dlatego kryształy materiałów 2D można tworzyć poprzez kontrolowane układanie ze sobą warstw materiałów 2D o różnych właściwościach. Wzbudziło to duże zainteresowanie, ponieważ materiały wcześniej nieistniejące w przyrodzie mogą być tworzone w celu odkrycia wcześniej niedostępnych zjawisk fizycznych4,5,6,7,8,9 lub opracowywanie doskonałych urządzeń do zastosowań technologicznych. Dlatego precyzyjna kontrola nad układaniem materiałów 2D stała się jednym z głównych celów w dziedzinie badań10,11,12.
W szczególności, kąt skrętu między sąsiednimi warstwami w heterostrukturach van der Waalsa okazał się ważnym parametrem do kontrolowania właściwości materiału13. Na przykład pod pewnymi kątami wprowadzenie względnego skrętu między sąsiednimi warstwami może skutecznie elektronicznie rozłączyć dwie warstwy. Badano to zarówno w graphene14,15, jak i w dichalcogenides metali przejściowych16,17,18,19. Niedawno zaskakująco odkryto, że może również zmieniać stan materii tych materiałów. Odkrycie, że dwuwarstwowy grafen zorientowany pod "magicznym kątem" zachowuje się jak izolator Motta w niskich temperaturach, a nawet nadprzewodnik, gdy gęstość elektronów jest odpowiednio dostrojona, wywołało duże zainteresowanie i uświadomienie sobie znaczenia kontroli kątowej podczas wytwarzania warstwowych heterostruktur van der Waalsa13,20,21.
Motywowani możliwościami naukowymi, jakie otworzył pomysł dostrojenia właściwości nowych materiałów van der Waalsa poprzez dostosowanie względnej orientacji między warstwami, prezentujemy domowy instrument wraz z procedurą tworzenia takich struktur z kontrolą kątową.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
1. Oprzyrządowanie do procedury transferu
2. Mechaniczne złuszczanie kryształu 2D.
3. Metoda PMMA-PVA do wytwarzania heterostruktur van der Waalsa (przygotowanie górnego podłoża).
4. Metoda tłoczenia polidimetylosiloksanu (PDMS) do wytwarzania heterostruktur van der Waalsa (przygotowanie górnego podłoża).
5. Przenoszenie płatków z górnego podłoża na dolne za pomocą metody PMMA-PVA (Rysunek 3e-h).
6. Przenoszenie płatków z górnego podłoża na dolne podłoże metodą tłoczenia (Rysunek 4d-f).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Aby zilustrować wyniki i skuteczność naszej procedury, przedstawiamy sekwencję sterowanych pod kątem stosów cienkich kryształów dwusiarczku renu (ReS2). Aby podkreślić, że opisana metoda może być również stosowana do warstw cienkich atomowo, przedstawiamy również konstrukcję dwóch stosunkowo skręconych monowarstw dwusiarczku molibdenu (MoS2).
Aby zademonstrować możliwości ustawienia kątowego układu transfer...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedstawiona tutaj domowa konfiguracja transferowa oferuje metodę budowania nowatorskich materiałów warstwowych z kontrolą zarówno boczną, jak i obrotową. W porównaniu z innymi rozwiązaniami opisanymi w literaturze10,25, nasz system nie wymaga skomplikowanej infrastruktury, a mimo to osiąga cel, jakim jest kontrolowane osiowanie kryształów 2D.
Najważniejszym krokiem w procedurze jest wyrównanie i umieszczenie górnego kryształu w konta...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia. Autorzy nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.
Autorzy dziękują za finansowanie z grantu University of Ottawa i NSERC Discovery RGPIN-2016-06717 oraz NSERC SPG QC2DM.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Obiektyw 5X | Nikon Metrology | MUE12050 | Odległość robocza 23,5 mm i apertura numeryczna 0,15 |
| Obiektyw 50X | Nikon Metrology | MUE21500 | Odległość robocza 19 mm i apertura numeryczna 0,4 |
| Obiektyw 100X | Nikon Metrology | MUE21900 | Odległość robocza 4,5 mm i apertura numeryczna 0,8 |
| Aceton | Sigma-Aldrich | 270725 | Czystość ≥ 99.90% |
| Taśma klejąca | Ultron Systems, Inc. | ||
| Anisole | MicroChem | ||
| Mikroskop sił atomowych | Bruker | Dimension Icon | Zazwyczaj korzystamy z trybu ScanAsyst |
| Manipulator obrotu dolnego stopnia | Zaber Technologies | X-RSW60A-PTB2 | 360° skok o wielkość kroku 4,091 μ rad |
| Manipulator stopnia dolnego X Manipulator | Zaber Technologies | X-LSM025A-PTB2 | Skok 25 mm z krokiem 47,625 nm |
| Manipulator stopnia dolnego Y | Zaber Technologies | X-LSM025A-PTB2 | Przesuw 25 mm z krokiem 47,625 nm |
| Manipulator stopnia dolnego Z | Zaber Technologies | X-VSR40A-KX14A | Skok 40 mm z krokiem 95,25 nm |
| Isopropanol | Sigma-Aldrich | 563935 | Czystość 99,999% |
| Oprogramowanie LabVIEW | National Instruments | ||
| Macor | McMaster-Carr | 8489K238 | |
| Kamera mikroskopowa | Zeiss | 426555-0000-000 | 5 megapikseli, 47 kl./s na żywo, czas naświetlania 100 μ s - 2 s, kamera kolorowa |
| Dwusiarczek molibdenu (MoS2) | HQ Graphene | ||
| Optical płytka | stykowa Thorlabs, Inc. | MB4545/M | |
| Mikroskop optyczny | Nikon Metrology | LV150N | |
| Wytrawiacz plazmowy tlenowy | Plasma Etch, Inc. | PE-50 | |
| PDMS stempel | Gel-Pak | PF-20-X4 | |
| PMMA 950 A6 | MichroChem Corp. | M230006 0500L1GL | |
| Węglan polipropylenu | Sigma-Aldrich | 389021-100g | |
| PVA Partall #10 | Kompozyty Kanada | ||
| Dwusiarczek renu (ReS2) | HQ Grafen | ||
| Si/SiO2 | podłoże Nova Electronics Materials | HS39626-OX | |
| Powlekarka wirowa | Laurell Technologies | WS-650-23 | |
| Regulator temperatury | Auber Instruments | SYL-23X2-24 | Kontroluje temperaturę dolnego stopnia za pomocą termopary typu J |
| Jednostka sterująca Top stage | Mechonics | CF.030.0003 | |
| Manipulator Top stage X | Mechonics | MS.030.1800 | Skok 18 mm z krokiem 11 nm |
| Manipulator | Y najwyższego stopniaMechonics | MS.030.1800 | Przesuw 18 mm z krokiem 11 nm |
| Manipulator Top stage Z | Mechonics | MS.030.3000 | 30 mm skok o długości kroku 11 nm |
| Kąpiel ultradźwiękowa | Elma Schmidbauer GmbH | Elmasonic P 30 H |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE
Poproś o pozwolenie