Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Zoptymalizowana procedura produkcji wysokiej jakości urządzeń z efektu mory superkratowej na bazie grafenu

15.6K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/68230

⸱

11 lipca 2025

 , 
1Department of Physics, Massachusetts Institute of Technology

W tym artykule

Podsumowanie

Ten artykuł przedstawia zoptymalizowany, oparty na doświadczeniu protokół wytwarzania wysokiej jakości urządzeń z supersieci mory na bazie grafenu z precyzyjnymi kątami skrętu, wykorzystując zmodyfikowaną technikę suchego transferu opartą na wysoce przestrajalnym, niestandardowym zestawie transferu.

Streszczenie

Sieci mory stanowią wszechstronną platformę do badania zjawisk emergentnych wynikających z wzajemnego oddziaływania silnych korelacji i topologii, oferując jednocześnie elastyczną możliwość dostrajania in situ. Jednak wytworzenie takich supersieci mory jest wyzwaniem. Trudno jest uzyskać wysoce jednorodne urządzenia z precyzyjnym kątem skrętu ze względu na niezamierzone wprowadzenie heteroodkształcenia, zaburzenia kąta skrętu i relaksacji kąta/sieci podczas procesu nanowytwarzania. W tym artykule przedstawiono zoptymalizowany, oparty na doświadczeniu protokół wytwarzania wysokiej jakości urządzeń do supersieci mory na bazie grafenu, koncentrując się na zmodyfikowanej technice suchego transferu. Proces transferu odbywa się w wysoce przestrajalnej, niestandardowej konfiguracji transferu, która umożliwia precyzyjną kontrolę pozycji, kąta i temperatury. Łącząc rygorystyczne kryteria selekcji płatków, wstępnie oczyszczone dolne bramki bez pęcherzyków powietrza i ablację laserem grafenowym, supersieć mory jest konstruowana przez celowe nakładanie skręconych płatków grafenu z prędkością submikronową w temperaturze pokojowej. Dzięki precyzyjnej kontroli procesu przenoszenia, powstałe urządzenia supersieci grafenowo-moirowej wykazują wysoką jednorodność i pożądane kąty skrętu. Ten zoptymalizowany protokół rozwiązuje istniejące wyzwania związane z wytwarzaniem urządzeń do supersieci mory na bazie grafenu i toruje drogę do dalszych postępów w szybko rozwijającej się dziedzinie materiałów morowych.

Wprowadzenie

Kluczową siłą napędową współczesnej fizyki materii skondensowanej jest połączenie silnych korelacji i topologii w jeden przestrajalny system fizyczny. Od czasu odkrycia skorelowanych stanów izolatora1 i superconductivity2 w dwuwarstwowym grafenie skręconym pod magicznym kątem (MATBG), jego niezwykłe właściwości stymulowały rosnącą liczbę badań nad materiałami z mory3. W ostatnich latach skonstruowano i zbadano różne supersieci mory na bazie grafenu. Ta szybko rozwijająca się dziedzina ujawniła bogactwo nowych zjawisk, w tym między innymi egzotyczne skorelowane izolatory4,5,6,7,8,9, niekonwencjonalne nadprzewodnictwo10,11,12,13,14, nematicity15, and orbital ferromagnetism16,17,18.

Bogata fizyka odkryta w tych grafenowych supersieciach mory korzysta z bezprecedensowej możliwości przestrajania in situ, oferowanej przez małe kąty skrętu między warstwami grafenu. Jednocześnie wpływ na to mają również niepewności wynikające z tego dodatkowego stopnia swobody kąta skrętu. Kąt skrętu jest tworzony przez nałożenie na siebie dwóch płatków grafenu ze względnym obrotem ich osi kryształów. Aby osiągnąć reżim magicznego kąta (1°-1,2°), w którym korelacje odgrywają dominującą rolę, konieczne jest precyzyjne kontrolowanie kąta skrętu z dokładnością poniżej 0,1°. Jednak podczas procedury wytwarzania mogą zostać wprowadzone różne szkodliwe czynniki, takie jak heterostrain19,20, zaburzenie kąta skrętu21,22,23 i relaksacja kraty24,25, między innymi. Używanie niedoskonałych płatków lub brak kontroli prędkości pobierania grafenu może skutkować nadmiernym obciążeniem i zaburzeniem kątowym. Ponieważ konfiguracja małego kąta skrętu nie jest termodynamicznym stanem podstawowym, włączenie niepotrzebnych procesów przenoszenia w wysokiej temperaturze zwiększa ryzyko niepożądanego rozluźnienia sieci. Czynniki te zmniejszają wskaźnik sukcesu produkcji urządzeń do supersieci grafenu moiry i są szczególnie widoczne w reżimie magicznego kąta. Stanowią one poważne wyzwanie eksperymentalne 26 dla badaczy w tej dziedzinie, utrudniając uzyskanie urządzeń o pożądanym kącie skrętu, a nawet odtworzenie poprzednich wyników pomiarów.

W tym artykule, w celu złagodzenia powyższych wyzwań, przedstawiono zoptymalizowany, oparty na doświadczeniu i krok po kroku protokół wytwarzania wysokiej jakości urządzeń supersieci mory na bazie grafenu. Opierając się na zmodyfikowanej technice suchego transferu27,28, proces transferu jest wykonywany przy użyciu wysoce przestrajalnego, niestandardowego zestawu transferu z precyzyjną kontrolą pozycji, kąta i temperatury. Sercem tego protokołu są rygorystyczne kryteria selekcji płatków, wstępnie oczyszczone dolne bramki bez pęcherzyków powietrza, ablacja laserem grafenowym i, co najważniejsze, płynne pobieranie wstępnie pociętych płatków grafenu z prędkością submikronową w temperaturze pokojowej. Oprócz tych kluczowych aspektów omówiono również pomniejsze czynniki, które mogą mieć wpływ na wyniki eksperymentu. Mimo że prezentowany protokół wykorzystuje jako przykład skręcony grafen dwuwarstwowy, ma on zastosowanie do wszystkich rodzajów struktur supersieci mory na bazie grafenu. Szczegółowy przebieg pracy ma na celu zwiększenie dostępności do wytwarzania wysokiej jakości urządzeń z supersieci grafenowo-moirowej dla szerszej społeczności naukowej.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

Materiały i instrumenty wykorzystywane w całym protokole znajdują się w Tabeli materiałów.

1. Przygotowanie płatków materiału dwuwymiarowego (2D)

  1. Eksfoliacja grafenu
    1. Przy użyciu rysika z węglika wolframu potnij podłoże Si/SiO2 na kawałki o wymiarach 2 cm × 2 cm. Następnie oczyść powierzchnię podłoża pistoletem z strumieniem azotu, aby usunąć pył krzemowy.
      UWAGA: Do eksfoliacji grafenu i hBN zazwyczaj stosuje się podłoża z warstwą SiO2 o grubości 285 nm, ponieważ grubość ta zapewnia dobry kontrast kolorystyczny do wizualnej identyfikacji materiałów 2D.
    2. Rozgrzej płytkę grzewczą do 250 °C, a następnie umieść na niej podłoża Si/SiO2.
    3. Umieść kryształ grafitu na prostokątnym, bezsilikonowym niebieskim taśmie (1005R). Złóż taśmę na pół, aby zakryć kryształ. Mocno dociśnij kryształ grafitu, a następnie delikatnie rozprostuj taśmę. Spowoduje to oddzielenie górnych warstw grafitu i odsłonięcie płaskiej, błyszczącej powierzchni kryształu.
    4. Przyложи kolejny prostokątny kawałek niebieskiej taśmy do świeżo eksfoliowanej powierzchni grafitu. Delikatnie dociśnij, a następnie odklej taśmę. Spowoduje to przeniesienie wierzchnich warstw świeżego grafitu na nową taśmę.
    5. Obejrzyj przeniesione warstwy grafitu. Ilość kryształu ma kluczowe znaczenie dla optymalnych wyników eksfoliacji. W razie potrzeby powtórz procedurę z kroku 1.1.4, aż na nowej taśmie zgromadzi się wystarczająca ilość kryształu (Rycina 1A).
    6. Delikatnie składaj i rozprostowuj nową taśmę wielokrotnie, rozprowadzając grafit po jej powierzchni (Rycina 1B). Przestań, gdy powierzchnia zostanie równomiernie pokryta cienkimi warstwami grafitu.
      UWAGA: Zbyt częste składanie taśmy może zmniejszyć uzysk dużych płatków grafenu.
    7. Obejrzyj nową taśmę pod źródłem światła (Rycina 1C). W idealnym przypadku taśma powinna być pokryta przezroczystymi wysepkami grafitu. Jeśli znajduje się na niej zbyt wiele grubych grudek grafitu, nałóż na wierzch kolejną niebieską taśmę. Jej odklejenie pomoże zmniejszyć grubość grafitu.
    8. Potnij przygotowaną niebieską taśmę na kawałki o rozmiarze dopasowanym do podłoży Si/SiO2. Zdejmij podłoża z płytki grzewczej i natychmiast nałóż taśmę.
    9. Pozostaw podłoża do ostygnięcia do temperatury pokojowej, a następnie delikatnie odklej taśmę. Obejrzyj wyniki eksfoliacji za pomocą mikroskopu optycznego. Jeśli na podłożu pozostało zbyt wiele pozostałości taśmy, rozważ obniżenie temperatury grzania przy kolejnej próbie.

Sedymentacja cząstek na powierzchniach; eksperymentalne obrazy mikroskopowe; analiza wzorców rozprzestrzeniania.
Rycina 1: Eksfoliacja płatków i kryteria selekcji. (A-C) Eksfoliacja grafenu. (A) Świeżo przeniesione kryształy grafitu z warstwy wierzchniej na nową niebieską taśmę. (B) Złożenie i rozłożenie taśmy w celu rozprzestrzenienia kryształów grafitu na jej powierzchni. (C) Inspekcja taśmy pod źródłem światła przed użyciem. Idealnie większość powierzchni powinna być pokryta półprzezroczystymi wyspami grafitu. (D-F) Eksfoliacja hBN. (D) Wybór 2 do 3 lśniących kryształów hBN i umieszczenie ich na taśmie. (E) Równomierne rozprzestrzenienie kryształów hBN na taśmie poprzez delikatne składanie i rozkładanie. (F) Inspekcja powierzchni taśmy w świetle odbitym przed użyciem. Jeśli większość powierzchni kryształu wydaje się kolorowa, należy użyć dodatkowej taśmy w celu zmniejszenia grubości kryształu. (G,H) Obrazy z mikroskopu optycznego reprezentatywnych płatków materiałów 2D spełniających kryteria selekcji, w tym „palca” grafitowego (G), monowarstwy grafenu (H) oraz wierzchniego płatka hBN (I). Obrazy (G,I) wykonano z użyciem obiektywu 50x, natomiast obraz (H) wykonano z użyciem obiektywu 100x. Wszystkie paski skali oznaczają 30 µm. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

  1. Eksfoliacja azotku boru w strukturze heksagonalnej (hBN)
    1. Przeciąć i oczyścić podłoża zgodnie z opisem w kroku 1.1.1. Rozgrzać płytkę grzewczą do 160 °C.
    2. Umieścić 2-3 błyszczące kryształy hBN na prostokątnym, wolnym od silikonu niebieskim taśmie (1009R) (Rysunek 1D).
      UWAGA: Do eksfoliacji grafenu i hBN stosuje się różne taśmy. Taśma 1005R wykazuje silniejszą adhezję niż 1009R, co skutkuje większą gęstością płatków, ale pozostawia więcej pozostałości taśmy na podłożach.
    3. Delikatnie składać i rozkładać taśmę kilkakrotnie, aby rozprowadzić kryształy hBN na powierzchni taśmy (Rysunek 1E). Przerwać czynność, gdy taśma zostanie pokryta cienkimi i błyszczącymi kryształami hBN.
    4. Obejrzeć powierzchnię taśmy w świetle odbitym (Rysunek 1F). Jeśli obecnych jest zbyt wiele grubych kryształów, użyć innej niebieskiej taśmy w celu zmniejszenia ich grubości, zgodnie z opisem w kroku 1.1.7.
    5. Przeciąć przygotowaną niebieską taśmę na kawałki odpowiadające rozmiarowi podłoży Si/SiO2. Gładko nakleić taśmę na podłoża w temperaturze pokojowej.
    6. Umieścić podłoża z taśmą na płytce grzewczej w temperaturze 160 °C i ogrzewać przez 2 min. Po ogrzewaniu, gdy podłoża ostygną do temperatury pokojowej, delikatnie odkleić taśmę w powolnym i kontrolowanym tempie, około 2 min na podłoże.
    7. Po usunięciu taśmy umieścić podłoża w rurce kwarcowej wewnątrz pieca i wyżarzyć w temperaturze 350 °C przez 10 h w atmosferze gazu formującego (50% H2- 50% Ar). Ten krok ma na celu redukcję pozostałości taśmy na powierzchni podłoża.
      UWAGA: Podobne wyniki można osiągnąć w innych warunkach wyżarzania, np. w wysokiej próżni.
    8. Po zakończeniu procesu wyżarzania wyjąć podłoża z pieca i za pomocą pistoletu natryskowego z azotem wydmuchać wszelkie cząstki szkła, które mogły przedostać się podczas wyżarzania.
    9. Wyżarzyć rurkę kwarcową w temperaturze 1000 °C przez 1 h, wystawiając ją na działanie atmosfery. Krok ten usuwa pozostałości chemiczne z rurki w przygotowaniu do przyszłego procesu wyżarzania.
  2. Wybór płatków materiałów 2D
    1. Do wyboru płatków materiałów 2D należy użyć mikroskopu optycznego z obiektywem 5x, aby szybko przeprowadzić wstępną selekcję podłoży w oświetleniu w polu jasnym. Zidentyfikować płatki o pożądanym rozmiarze, kształcie i grubości zgodnie z kryteriami wyboru płatków określonymi w sekcji Dyskusja. Reprezentatywne płatki spełniające kryteria przedstawiono na Rysunku 1G - I.
    2. Użyć obiektywu 50x lub 100x, aby ocenić jakość płatka poprzez regulację kontrastu kolorystycznego obrazu w polu jasnym. Alternatywnie, można zastosować oświetlenie w polu ciemnym z odpowiednim czasem ekspozycji, aby sprawdzić płatek. Obie strategie pomagają w dalszym eliminowaniu wadliwych płatków.
    3. Aby zweryfikować jakość płatka, warto przeprowadzić pomiary za pomocą mikroskopii sił atomowych (AFM) w trybie przerywanym (tapping mode), aby sprawdzić topografię powierzchni płatka. Do dalszych procesów należy wybierać wyłącznie płatki o czystej powierzchni i bez widocznych naprężeń.

Schemat procesu chromatografii, pokazujący poszczególne etapy nakładania próbek i sprzęt do rozdziału.
Rysunek 2: Wykonanie szkiełek przedmiotowych ze stemplami PC/PDMS. (A) Do jednego końca szkiełka przedmiotowego przyklejono dwustronną taśmę z wyciętym otworem. (B) Czysty stempel PDMS umieszczono w centrum wyciętego otworu. (C) Odpowiednią ilość roztworu PC w chloroformie nanieśiono na szkiełko przedmiotowe. (D) Na szkiełko dolne położono drugie czyste szkiełko przedmiotowe w celu równomiernego rozprowadzenia roztworu, a następnie przesuwano szkiełka względem siebie. (E) Po odparowaniu chloroformu na dolnym szkiełku utworzyła się jednorodna cienka warstwa PC. (F) Kolejną dwustronną taśmę z wyciętym otworem umieszczono na czystym obszarze warstwy PC. Wokół otworu wykonano zadrapania za pomocą tyłu pęsety, aby zapewnić szczelne połączenie taśmy z warstwą PC. (G) Warstwę PC wycięto wzdłuż krawędzi taśmy i delikatnie oddzielono. (H) W centrum otworu widoczna była wolnostojąca, jednorodna warstwa PC. (I) Wolnostojącą warstwę PC nałożono na stempel PDMS, dopasowując otwór z punktu (H) do otworu z punktu (B). Dwustronne taśmy wokół otworu mocno ze sobą dociśnięto. (J) Nadmiar taśmy wycięto, pozostawiając jedynie centralny obszar stempla PC/PDMS. (K) Powiększony widok stempla PC/PDMS. Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku.

2. Wykonanie szkiełek przedmiotowych ze stemplami PC/PDMS

  1. Wykonanie szkiełek przedmiotowych ze stemplami z poliwęglanu (PC) i polidimetylosiloksanu (PDMS), które służą do pobierania materiałów 2D.
    1. Przygotować czystą czarkę Petriego o średnicy 6''. W czarce wymieszać bazę elastomeru silikonowego z utwardzaczem w masowym stosunku mieszania 10:1. Aby uzyskać optymalną grubość PDMS wynoszącą około 1-2 mm, zazwyczaj stosuje się mieszaninę około 10 g bazy i 1 g utwardzacza.
    2. Po całkowitym wymieszaniu umieścić czarkę Petriego na płaskiej powierzchni i utwardzać przez 2 dni w temperaturze pokojowej. Po utwardzeniu PDMS jest gotowy do użycia.
    3. Do jednego końca czystego szkiełka przedmiotowego przymocować dwustronną taśmę z wyciętym otworem (Rysunek 2A). Następnie w centrum otworu umieścić czysty stempel PDMS (o grubości 1-2 mm) (Rysunek 2B).
      UWAGA: Aby uzyskać silną adhezję między stemplami PDMS a szkiełkiem przedmiotowym, powierzchnia styku musi być czysta, jednorodna i wolna od kurzu lub pęcherzyków powietrza.
    4. W wyciągu pod jedzeniem pobrać kolejne czyste szkiełko przedmiotowe i nanieść na jego powierzchnię odpowiednią ilość 6% w/w roztworu PC w chloroformie (jak pokazano na Rysunku 2C).
    5. Na dolnym szkiełku położyć czyste szkiełko przedmiotowe i delikatnie je docisnąć (Rysunek 2D). Po rozprowadzeniu roztworu przesunąć dwa szkiełka względem siebie, aby utworzyć gładki film PC. Po odparowaniu chloroformu na dolnym szkiełku tworzy się cienka warstwa PC (Rysunek 2E).
    6. Nad czystym i jednorodnym obszarem filmu PC umieścić kolejny kawałek dwustronnej taśmy z wyciętym otworem. Docisnąć obszar wokół otworu końcem pęsety, aby zapewnić trwałe połączenie taśmy z filmem PC (Rysunek 2F).
    7. Wyciąć film PC wzdłuż krawędzi taśmy, aby oddzielić tę sekcję od pozostałej części na szkiełku przedmiotowym, a następnie delikatnie odkleić taśmę (Rysunek 2G).
    8. Po odklejeniu taśmy sprawdzić wolnostojący film PC w centrum otworu (Rysunek 2H). Zaleca się przygotowywanie filmu PC w środowisku o wysokiej wilgotności, np. w deszczowe dni. W przeciwnym razie film może się pomarszczyć podczas procesu odklejania. W przypadku wystąpienia zmarszczek powtórzyć kroki 2.1.6-2.1.7, aż do uzyskania jednorodnego filmu PC.
    9. Nałożyć wolnostojący film PC na stempel PDMS przygotowany w kroku 2.1.3. Następnie za pomocą żyletki mocno docisnąć dwustronną taśmę wokół otworu (Rysunek 2I).
    10. Odciąć nadmiar taśmy poza centralnym obszarem stempla PC/PDMS. W ten sposób wykonano szkiełko przedmiotowe ze stemplami PC/PDMS na jednym końcu (Rysunek 2J); powiększony widok przedstawiono na Rysunku 2K.

Układ mikroskopii optycznej z laserem światłowodowym i kamerą CMOS; schemat szczegółowo przedstawiający komponenty do analizy próbek.
Rycina 3: Wysoce regulowalny, niestandardowy układ transferowy. (A) Widok z przodu układu transferowego, z kluczowymi komponentami oznaczonymi czerwonymi strzałkami i literami. Nazwy poszczególnych komponentów wymieniono po prawej stronie. Centralna część układu jest obramowana szarym polem z przerywanej linii. (B) Powiększony widok centralnej części z (A) w stanie przed kontaktem, pokazujący, że stempel PC/PDMS jest umieszczony około 2 mm nad waflami Si/SiO2. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Układ mikroskopii laserowej z dzielnikiem wiązki; obrazowanie optyczne materiałów w skali 30 μm, obiektyw 50x.
Rysunek 4: Ablacja laserowa grafenu. (A) Schemat drogi wiązki laserowej w customowym układzie transferowym. Wiązka laserowa jest konfokalna z drogą obrazowania kamery w celu precyzyjnej ablacji laserowej. (B) Monowarstwa płatka grafenu po ablacji laserowej. Środkowa linia cięcia laserowego została przecięta dwukrotnie, aby zwiększyć przerwę między sąsiednimi fragmentami grafenu, natomiast dwie linie zewnętrzne oddzielają obszar rdzenia od reszty płatka. (C) Płatek grafitu o jednolitej grubości, ale nieregularnym kształcie. (D) Ablacja laserowa nadaje nieregularnemu grafitowi kształt prostokątnego palca grafitowego, co czyni go idealnym do zastosowania jako grafitowa elektroda bramkowa. Wszystkie paski skali oznaczają 30 µm. Część (A) została zaadaptowana z pracy Park et al.38. Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku.

3. Suche przenoszenie supersieci mory grafenowej (na przykładzie skręconego grafenu dwuwarstwowego)

UWAGA: Szczegółowe informacje na temat specjalnie zbudowanego układu transferowego (Rycina 3A) oraz zintegrowanego lasera superkontinuum (Rycina 4A) wykorzystanych w tym protokole znajdują się w sekcji Dyskusja.

  1. Laserowa ablacja grafenu
    1. Umieść podłoże z grafenem na stoliku przedmiotowym i zlokalizuj grafen za pomocą obiektywu 10x. Ustaw płatek w pożądanej orientacji, a następnie przełącz na obiektyw 50x.
    2. Użyj funkcji Rysuj krzywe Béziera i linie proste w programie Inkscape, aby obrysować granicę grafenu oraz zaplanowane linie cięcia laserowego. Jeśli grafen posiada obszary z niewielkimi zagięciami lub pęknięciami, użyj linii cięcia laserowego, aby oddzielić je od regionu rdzeniowego. Może to zmniejszyć ryzyko dalszego zagięcia lub pękania podczas procesu pobierania grafenu.
      UWAGA: Linie cięcia laserowego mogą podzielić grafen na dwa lub więcej fragmentów, w zależności od zamierzonej struktury, przy czym każdy fragment powinien mieć co najmniej 20 µm szerokości i 30 µm długości.
    3. Włącz laser i zwiększaj jego intensywność, aż plamka wiązki stanie się widoczna. Dostosuj położenie stolika przedmiotowego, aby wyrównać plamkę wiązki z początkiem zaplanowanej linii cięcia laserowego. Następnie ustaw intensywność lasera na poziom odpowiedni do ablacji grafenu.
      UWAGA: Moc lasera wymagana do przecięcia grafenu bez uszkodzenia powierzchni SiO2 wynosi od 60 mW do 150 mW, mierzona przed dzielnikiem wiązki.
    4. Przesuwaj stolik przedmiotowy, prowadząc plamkę wiązki wzdłuż zaplanowanej linii cięcia laserowego, aby przeciąć płatek. Po przecięciu zredukuj intensywność lasera do zera i sprawdź linię cięcia.
    5. Powtórz procedurę, aby wykonać dodatkowe cięcie obok istniejącego. Zwiększa to przerwę między fragmentami grafenu, zapewniając więcej miejsca dla krawędzi hBN w celu wyrównania bez kontaktu z sąsiednim fragmentem grafenu.
    6. Powtórz procedurę dla każdej zaplanowanej linii cięcia laserowego. Po zakończeniu ablacji laserowej czysty grafen zostaje podzielony na kilka części (Rysunek 4B). Centralne fragmenty wykorzystywane do budowy supersieci moiré są odizolowane od reszty płatka.
    7. Zdejmij podłoże z grafenem ze stolika i sprawdź linie cięcia laserowego za pomocą mikroskopu optycznego. Upewnij się, że linie cięcia są wolne od zanieczyszczeń.
      ​UWAGA: Technika laserowej ablacji grafenu może być również stosowana do nadawania płatkom grafitu pożądanych geometrii. Na przykład nieregularny płatek grafitu (Rysunek 4C) można przekształcić w idealnie prostokątny „palec” grafitowy (Rysunek 4D), który jest idealny do zastosowania jako elektroda bramki. Podejście to znacznie skraca czas poświęcany na poszukiwanie płatków grafitu o konkretnych geometriach.

Obrazy mikroskopowe materiałów cienkowarstwowych; porównanie właściwości optycznych i struktury powierzchni.
Rysunek 5: Transfer dolnej bramki grafitowej. (A) Ustawiono ostrość na film PC i zidentyfikowano czysty obszar przy użyciu obiektywu 2x. (B) Ustawiono ostrość na płatek hBN i przesunięto go do czystego obszaru zidentyfikowanego w punkcie (A). (C) Stempel zetknął się z wafelem, tworząc jasnozielony obszar kontaktu, z kolorową prawą krawędzią określaną jako front fali. Film PC całkowicie pokrył dolny płatek hBN. (D) Dolny płatek hBN został podniesiony, a jego kolor stał się półprzezroczysty. (E) hBN oraz grafitowy palec zostały ustawione w końcowym wyrównaniu przed zetknięciem stempla z wafelem. (F) Front fali zbliżył się do grafitowego palca, przy czym prędkość styku została zmniejszona do 0.5 µm/s. (G) Front fali całkowicie przesunął się nad grafitowym palcem. (H) Grafitowy palec został podniesiony przez dolny płatek hBN. (I) Dolna bramka grafitowa została naniesiona na wcześniej wzorowany wafele znacznikowy w temperaturze 160 °C, zapewniając kontakt między grafitowym palcem a metalowym palcem Ti/PdAu. (J) Cały stempel PC/PDMS został dociśnięty do wafla. (K) Film PC został oddzielony od stempla PDMS. Przezroczysty front fali między obszarami o różnych kolorach wskazywał na oddzielenie filmu PC od stempla PDMS. (L) Film PC został oderwany od szkiełka przedmiotowego, pozostawiając dolną bramkę grafitową na waflu. Paski skali w punktach (A,B,J,K,L) oznaczają 500 µm; w (C,D,F) oznaczają 90 µm; a w (E,G,H,I) oznaczają 30 µm. Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku.

  1. Przygotowanie grafitowych wlewów dolnych
    1. Podnieś dolny płatek hBN (Rycina 5A - D) wykonując podobne czynności jak w kroku 3.3. Należy zauważyć, że w przypadku dolnego płatka hBN prosta krawędź kryształu oraz równoległy front fali nie są wymagane (definicję frontu fali zaprezentowano w kroku 3.3.8).
    2. Umieść wafelek z grafitowym palcem na stole próbek. Wycentruj grafitowy palec w oknie kamery i zorientuj go w żądanym kierunku. Użyj Podgląd Aby okno programu Inkscape było półprzezroczyste, gdy znajduje się nad oknem podglądu kamery. Obrysuj krawędź grafitowego palca w programie Inkscape.
    3. Ustaw temperaturę stolika z próbką na 80 °CWłóż szkiełko i przesuń je do pozycji wstępnego zazębienia (patrz krok 3.3.4 i Rysunek 3B).
    4. Postępując zgodnie z krokami opisanymi w sekcjach 3.4.5–3.4.10, należy wyrównać dolny płatek hBN oraz grafitowy palec przed zetknięciem stempla z waflkiem, jak pokazano w Rysunek 5ETakie wyrównanie zapewnia, że grafitowy palec znajduje się pod czystym i jednolitym obszarem dolnego płatka hBN.
    5. Użyj siłownika w kierunku osi Z, aby docisnąć stempel PC/PDMS do wafla z prędkością 5 µm/s aż do momentu, gdy front fali znajdzie się w bliskiej odległości od grafitowego palca (Rysunek 5F).
    6. Zmniejszyć prędkość do 0.5 µm/s aby czoło fali powoli przeszło przez grafitowy palec, aż całkowicie go pokryje (Rysunek 5G).
    7. Odłącz front fali z prędkością 0.5 µm/sKolor grafitowego palca zmieni się z fioletowego na półprzezroczysty ciemnoszary po podniesieniu (Rysunek 5H). Po całkowitym pobraniu grafitu, całkowicie wycofaj front fali z prędkością 5 µm/s.
    8. Przenieś na gorąco dolny płatek hBN oraz bramkę grafitową na wcześniej wzorowany wafelek z markerami, przy temperaturze stolika z próbką wynoszącej 160 °C, stykając się z metalowym palcem Ti/PdAu (Rycina 5I-L), postępując zgodnie z krokami opisanymi w punkcie 3.5.
    9. Usuń folię PC, zanurzając wafelek w chloroformie na jedną godzinę. Po usunięciu opłucz wafelek alkoholem izopropylowym i osusz go za pomocą pistoletu z strumieniem azotu.
      UWAGA: Zazwyczaj 20 minut w chloroformie wystarcza do rozpuszczenia filmu PC. W tym przypadku zastosowano 1 godzinę, aby uzyskać czystszą powierzchnię bramki.
    10. Umieścić wafelek w rurce kwarcowej i poddać wyżarzaniu w temperaturze 350 °C przez 10 h w atmosferze gazu formującego (50% H2)2- 50% Ar).
    11. Obejrzy dolną bramkę za pomocą mikroskopu optycznego. Obrazy mikroskopowe w jasnym i ciemnym polu dla dolnej bramki grafitowej pozbawionej pęcherzyków powietrza przedstawiono w Rysunek 6A,B.
    12. Użyj trybu stukowego (tapping mode) AFM do zeskanowania bramki dolnej. Wybierz obszary bramki wolne od pęcherzyków i niejednorodnych struktur, tak aby szerokość obszaru była nieco większa niż szerokość bramki. Powierzchnia bramki po wyżarzaniu jest pokryta pozostałościami polimeru, co pokazano w Rysunek 6C.
    13. Po wybraniu jednorodnych i wolnych od pęcherzyków obszarów bramki, przełącz AFM w standardowy tryb kontaktowy, używając tej samej sondy do trybu stukającego, która była wykorzystywana w poprzednim kroku.
      UWAGA: Grot w trybie stukowym (tapping mode) jest sztywniejszy od grota w trybie kontaktowym, co zapewnia lepsze efekty czyszczenia.
    14. Przeskanuj wybrane obszary z rozdzielczością 512 linii na skan, przyłożąc do końcówki siłę normalną rzędu kilkudziesięciu nN przy prędkości około 20 µm/s w celu usunięcia pozostałości polimeru z powierzchni. Krok ten określa się mianem procesu czyszczenia końcówki.
    15. Po jednej rundzie czyszczenia końcówki należy przełączyć AFM z powrotem w tryb stukowy (tapping mode) i sprawdzić efekty czyszczenia za pomocą nowej końcówki do trybu stukowego.
    16. Powtarzać proces czyszczenia końcówki, aż do całkowitego usunięcia pozostałości polimeru z obszaru bramki oraz z boków (Rysunek 6D).

Analiza mikroskopowa nanomateriałów; obrazy optyczne (A, B) i profile wysokości powierzchni (C, D).
Rysunek 6: Wstępnie oczyszczona, wolna od pęcherzyków dolna bramka grafitowa. (A,B) Obrazy optyczne w jasnym polu (A) i ciemnym polu (B) reprezentatywnej, wolnej od pęcherzyków dolnej bramki grafitowej. Obrazy topografii AFM zanieczyszczonej powierzchni bramki przed procesem czyszczenia końcówką (C) oraz czystej powierzchni bramki po procesie czyszczenia końcówką (D). Pozostałości polimeru zostały przesunięte na bok, co skutkuje powstaniem dwóch pionowych linii, jak zaobserwowano na obrazie (D). Paski skali na obrazach (A,B) oznaczają 30 µm, a na obrazach (C,D) 1 µm. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

  1. Podniesienie górnego płatka hBN
    1. Umieść wafer na stoliku próbek i zlokalizuj górny płatek hBN, korzystając z obiektywu 10x.
    2. Dostosuj orientację płatka hBN tak, aby jego prosta krawędź była pionowa i znajdowała się po prawej stronie płatka. Następnie obrysuj granicę płatka w programie Inkscape. Rysunek ten służy jako punkt odniesienia do późniejszego dopasowania hBN do płatków grafenu.
      UWAGA: Poziomy powiększenia kamery i programu Inkscape muszą pozostać spójne przez cały proces transferu, aby zachować jednolitą skalę między płatkami a rysunkami.
    3. Delikatnie zamocuj szkiełko z pieczątką PC/PDMS w gnieździe pod kątem nachylenia 2°-3° w dół. Przesuń gniazdo w lewo za pomocą tacy przesuwnej, aż szkiełko znajdzie się nad waferem z próbką, a następnie zablokuj je ręcznie.
    4. Ustaw temperaturę stolika próbek na 50 °C. Opuść szkiełko za pomocą siłownika w kierunku Z z prędkością 1 mm/s, aż pieczątka znajdzie się 2 mm nad waferem. W tym momencie system znajduje się w pozycji wstępnego kontaktu (Rysunek 3B).
    5. Ustaw ostrość mikroskopu na film PC i sprawdź czystość powierzchni (podobnie jak na Rysunku 5A). Wybierz czysty obszar nieco na lewo od środka pieczątki do kontaktu z płatkiem hBN, ponieważ pieczątka będzie wchodziła w kontakt od lewej strony. Przesuń płatek hBN do wybranego czystego obszaru.
    6. Opuść szkiełko dalej z prędkością 0,1 mm/s. Gdy film PC i wafer znajdą się prawie w tej samej płaszczyźnie ogniskowania, zmniejsz prędkość do 5 µm/s.
    7. Zidentyfikuj punkt styku, obserwując pierścienie Newtona tworzące się między pieczątką a waferem. Aby zapewnić płynny proces podnoszenia, upewnij się, że hBN jest ustawiony po prawej stronie, z dala od punktu styku. Jeśli tak nie jest, powróć do pozycji wstępnego kontaktu i skoryguj położenie hBN, powtarzając kroki 3.3.5-3.3.7.
    8. Gdy pieczątka styka się z waferem, ich interfejs wykazuje zielony obszar styku, z kolorową prawą krawędzią nazywaną frontem fali. Równoległy front fali, jak pokazano na Rysunku 7A, jest łatwiejszy do przytwierdzenia do prostej krawędzi hBN.
      UWAGA: Ze względu na potencjalne nachylenie powierzchni pieczątki, front fali może mieć lekkie odchylenie w stosunku do prostej krawędzi hBN. Aby zapewnić ich równoległość podczas podnoszenia grafenu, zapisz przybliżony kąt nachylenia i pamiętaj o jego skompensowaniu za pomocą goniometrów w kroku 3.4.3.
    9. Dalej dociskaj pieczątkę do wafera z prędkością 5 µm/s, aż całkowicie pokryje płatek hBN (podobnie jak na Rysunku 5C). Następnie ustaw temperaturę stolika próbek na 80 °C.
      UWAGA: Jeśli poziom adhezji filmu PC jest niepewny, początkowo ustaw temperaturę stolika na 60 °C, a następnie stopniowo ją zwiększaj, aż hBN będzie można płynnie podnieść.
    10. Po osiągnięciu temperatury, odsuń pieczątkę z prędkością 5 µm/s, aż front fali zbliży się do prostej krawędzi hBN. Następnie zmniejsz prędkość do 2 µm/s, aby powoli podnieść hBN. Po podniesieniu zwiększ prędkość do 5 µm/s, aby oddzielić film PC od wafera.
      UWAGA: Gdy cofający się front fali dotknie prostej krawędzi hBN, uważnie monitoruj kolor płatka. Po udanym podniesieniu staje się on przezroczysty. Jeśli płatek pozostaje kolorowy, ponownie dociśnij pieczątkę, aby pokryć płatek i powtórz powyższy krok w wyższej temperaturze. Film PC stanie się bardziej adhezyjny zarówno do płatka, jak i do wafera wraz ze wzrostem temperatury. Zalecana górna granica temperatury to 120 °C. Przekroczenie 120 °C może spowodować oddzielenie się filmu PC od pieczątki PDMS podczas odsuwania. Jeśli film PC nie jest wystarczająco lepki, rozważ zastosowanie obróbki UV/Ozon na szkiełku z pieczątką przez 5-10 min. Obróbka ta poprawia adhezję filmu PC do materiałów 2D, zwiększając skuteczność podnoszenia płatków.
    11. Wyłącz grzejnik stolika i uruchom system chłodzenia wodą. Poczekaj, aż temperatura spadnie poniżej 45 °C, następnie wyłącz system chłodzenia i całkowicie podnieś szkiełko z prędkością 1 mm/s. Zdejmij wafer hBN ze stolika.
      UWAGA: Gwałtowne przesuwanie szkiełka w wysokich temperaturach zaburza delikatne płatki, co może prowadzić do powstania zagięć i pęknięć po ochłodzeniu. Jeśli powstaną poważne zagięcia lub pęknięcia, płatek należy odrzucić, ponieważ te nierówności mogą utrudniać płynne podnoszenie grafenu.

Proces syntezy tlenku grafenu z obrazami mikroskopowymi; schemat porównawczy etapów wzrostu materiału.
Rycina 7: Kluczowe kroki w procesie transferu supersieci moiré grafenowej. (A) Obraz z oddaleniem wykonany przed pobraniem górnego płatka hBN. Obszar kontaktu między stemplem PC/PDMS a wafla ma jasny zielony kolor. Co istotne, front fali jest równoległy do prostej krawędzi górnego płatka hBN. (B) Płatek grafenowy po ablacji laserowej. Środkowa linia cięcia laserowego oddziela pierwszy i drugi fragment grafenu, które są szersze z powodu podwójnego cięcia, o czym wspomniano w kroku 3.1.5. Pozostałe dwa cięcia służą odizolowaniu rdzenia grafenowego od długiego ogona grafenowego i grubego fragmentu grafitu, które w przypadku braku oddzielenia mogłyby wywołać dodatkowe naprężenia podczas procesu pobierania. (C) hBN i grafen znajdują się w końcowej pozycji wyrównania przed pobraniem pierwszego fragmentu grafenu. (D) Front fali znajduje się bardzo blisko lewej krawędzi hBN, gdzie prędkość zazębiania powinna zostać zredukowana do 0.02 µm/s. (E) hBN powoli wchodzi w kontakt z pierwszym fragmentem grafenu. (F) Front fali całkowicie przechodzi nad pierwszym fragmentem grafenu i zostaje zatrzymany przez prostą krawędź hBN. (G) hBN gładko pobiera grafen. (H) Płatki są wyrównane względem odpowiednich rysunków przed pobraniem drugiego fragmentu grafenu. Granice hBN i oryginalne rysunki grafenu są obrysowane na czarno, natomiast skopiowany rysunek grafenu po obrocie jest przedstawiony na niebiesko. (I) Obraz z mikroskopu optycznego górnego stosu wytworzonego zgodnie z etapami (A-H), z optymalnie dostrojonym kontrastem kolorów w celu pokazania drobnych cech wewnątrz stosu. Stwierdzono minimalny nieład, co wskazuje na wysoką jakość górnego stosu skręconego dwuwarstwowego grafenu. Paski skali na wszystkich obrazach reprezentują 30 µm, z wyjątkiem (A), gdzie reprezentują 200 µm. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

  1. Podniesienie sieci superstrukturalnej moiré grafenowej
    1. Umieść płytkę z nowo wyciętym laserowo grafenem na stole próbek. Zlokalizuj grafen za pomocą obiektywu 10x, a następnie dostosuj orientację płatka tak, aby linie cięcia laserowego były równoległe do prostej krawędzi hBN, jak pokazano na Rysunku 7B.
    2. Obrysuj granicę grafenu w programie Inkscape, uwzględniając linie cięcia laserowego. Użyj funkcji Peek Through, aby uczynić rysunek półprzezroczystym podczas wyświetlania nad oknem kamery.
    3. Wyreguluj goniometry, aby skompensować nachylenie między frontem fali a prostą krawędzią hBN, na podstawie obserwacji z kroku 3.3.8.
    4. Załaduj szkiełko z górnym płatkiem hBN i przesuń je do pozycji wstępnej, z pieczątką PC/PDMS 2 mm nad płytką z grafenem.
    5. Wyrównaj rysunki hBN i grafenu, pozycjonując prostą krawędź hBN na środku linii cięcia laserowego, która oddziela środkowe fragmenty grafenu. Ustaw ostrość mikroskopu na grafenie, a następnie wyrównaj go z rysunkiem w programie Inkscape.
    6. Ustaw ostrość na górnym płatku hBN i przesuń szkiełko w kierunku XY, wyrównując hBN z jego rysunkiem. To kończy wstępne wyrównanie w pozycji przed kontaktem.
    7. Ustaw ostrość na wstępnie wyciętym grafenie, a następnie lekko przesuń płaszczyznę ogniskową w górę. Przesuń szkiełko w dół z prędkością 0,1 mm/s, aż górny płatek hBN znajdzie się w ostrości. W tym momencie hBN i wstępnie wycięty grafen znajdują się w bliskiej odległości.
    8. Ponownie ustaw ostrość na grafenie. Ustaw prędkość na 5 µm/s i powoli opuszczaj pieczątkę, aż hBN stanie się mniej więcej widoczny, upewniając się, że pieczątka i płytka nie wchodzą w kontakt.
    9. Ponownie wyrównaj zarówno grafen, jak i górny hBN z ich rysunkami. Będzie to służyć jako ostateczne wyrównanie przed kontaktem pieczątki z płytką. Płatki są dobrze wyrównane, jak pokazano na Rysunku 7C.
      UWAGA: Po zetknięciu się pieczątki z płytką należy unikać dalszych korekt wyrównania. Poruszanie pieczątką może wywołać nadmierne naprężenia w folii PC i hBN
    10. Kontynuuj opuszczanie pieczątki, aż zetknie się ona z płytką. Jeśli front fali pozostaje nierównoległy do prostej krawędzi hBN, powtórz od kroku 3.4.3, aby ponownie wyregulować goniometry. Celem jest uzyskanie równoległego frontu fali, jak widać na Rysunku 7A.
    11. Oceń poziom histerezy stopnia osi z, przesuwając pieczątkę nieprzerwanie w górę i monitorując ruch frontu fali. Jeśli najpierw przesunie się on do przodu o kilka µm, a następnie zacznie się cofać, oznacza to, że stopień wykazuje wyraźną histerezę z tym szkiełkiem. Z drugiej strony, jeśli front fali cofa się natychmiast bez żadnego ruchu do przodu, stopień nie wykazuje wyraźnej histerezy z tym szkiełkiem.
      UWAGA: Histereza może wpływać na przypięcie frontu fali do prostej krawędzi hBN i prowadzić do nadmiernego dociśnięcia, co skutkuje zanieczyszczeniem kolejnych fragmentów grafenu. Dlatego, jeśli zaobserwowano histerezę, w kolejnym procesie dociśnięcia preferencyjnie stosuje się metodę grzania prądem DC (krok 3.4.13) zamiast metody mechanicznej (krok 3.4.12). 
    12. Metoda mechaniczna (bez histerezy): Użyj prędkości 5 µm/s, aby opuścić pieczątkę, aż front fali zbliży się do lewej krawędzi hBN (Rysunek 7D). Zmniejsz prędkość do 0,02 µm/s, a następnie użyj tej niezwykle małej prędkości, aby dociśnąć hBN do pierwszego fragmentu grafenu (Rysunek 7E). Gdy całkowicie pokryje on pierwszy fragment grafenu i zostanie przypięty do prostej krawędzi hBN (Rysunek 7F), przerwij proces dociśnięcia. Zniweluj histerezę, przesuwając stopień w górę z prędkością 5 µm/s, aż front fali zacznie się cofać.
      UWAGA: Ściśle monitoruj proces powolnego dociśnięcia, ponieważ front fali może zostać nadmiernie dociśnięty i zanieczyścić kolejny fragment grafenu, jeśli proces nie zostanie bezzwłocznie zatrzymany przy prostej krawędzi hBN.
    13. Metoda grzania prądem DC (z histerezą): Użyj prędkości 5 µm/s, aby opuścić pieczątkę, aż front fali zbliży się do lewej krawędzi hBN (Rysunek 7D). Zniweluj histerezę, podnosząc pieczątkę w górę, aż front fali zacznie się cofać. Przyłóż niewielki prąd DC do grzejnika stołu próbek, aby powoli i kontrolowanie podgrzać stół, z prędkością wzrostu temperatury 0,5-1 °C/min.
      UWAGA: Ze względu na rozszerzalność cieplną pieczątki, front fali będzie dociśnięty w sposób ciągły (Rysunek 7E). Gdy całkowicie pokryje on pierwszy fragment grafenu i zostanie przypięty do prostej krawędzi hBN (Rysunek 7F), wyłącz prąd DC.
    14. Ustaw prędkość podnoszenia 0,02 µm/s, aby delikatnie podnieść grafen (Rysunek 7G). Poczekaj, aż front fali oddali się od hBN, a następnie zwiększ prędkość do 5 µm/s, aby całkowicie odseparować pieczątkę od płytki.
    15. Po całkowitym odseparowaniu pieczątki od płytki, przesuń pieczątkę w górę przez dodatkowe 3 s z prędkością 5 µm/s, aby upewnić się, że wszystkie płatki oddzieliły się od folii PC lub płytki. W przeciwnym razie po skręceniu spowodują one zmarszczenie folii PC.
    16. Skopiuj cały rysunek grafenu w programie Inkscape i obróć go o pożądany kąt skręcenia (±1,13° dla MATBG). Zmień kolor skopiowanego rysunku na inny, aby uniknąć pomyłki (niebieski na Rysunku 7H). Wyrównaj drugi fragment grafenu na skopiowanym rysunku z pierwszym fragmentem na rysunku oryginalnym, maksymalizując ich nakładanie się.
      UWAGA: Na podstawie doświadczeń końcowy kąt skręcenia w urządzeniu jest zazwyczaj mniejszy niż kąt założony podczas procesu transferu. Dlatego zazwyczaj ustawia się go nieco wyżej (~ 0,05°) niż „kąt magiczny”, co jest powodem dążenia do ±1,13° przy produkcji urządzeń MATBG.
    17. Obróć stół próbek o pożądany kąt skręcenia (±1,13° dla MATBG). Wyrównaj pozostały na płytce grafen z skopiowanym rysunkiem grafenu. Precyzyjna kontrola kąta skręcenia jest realizowana przez serwomotor DC w stopniu obrotowym, który zapewnia ciągły obrót o 360° z rozdzielczością 2 µrad i pomijalną histerezą.
    18. Ustaw ostrość na górnym płatku hBN na szkiełku i wyrównaj go z rysunkiem. Ponieważ hBN i pozostały grafen znajdują się już w bliskiej odległości, to wyrównanie służy jako wyrównanie końcowe (Rysunek 7H).
    19. Powtórz kroki 3.4.12-3.4.14, aby podnieść skręcony fragment grafenu. Jeśli jest to ostatni fragment grafenu do podniesienia, front fali może zostać nadmiernie dociśnięty poza prostą krawędź hBN, aby dokładniej wycisnąć pęcherzyki powietrza wewnątrz stosu.
    20. Na tym etapie sieć superstrukturalna moiré grafenowa została całkowicie podniesiona przez górny płatek hBN, co łącznie określa się jako górny stos.
    21. Zbadaj jakość górnego stosu za pomocą mikroskopu optycznego. Zapisz obraz w polu jasnym o kontrastowych kolorach do użycia w kroku 3.5.2. Na Rysunku 7I przedstawiono wysokiej jakości górny stos dwuwarstwowego grafenu skręconego z niewielką liczbą widocznych pęcherzyków.
  2. Enkapsulacja sieci superstrukturalnej moiré grafenowej
    1. Umieść na stole próbek płytkę z uprzednio oczyszczoną, wolną od pęcherzyków bramką dolną. Zlokalizuj bramkę dolną za pomocą obiektywu 10x.
    2. Zaimportuj obraz górnego stosu w polu jasnym o kontrastowych kolorach do programu Inkscape i wyrównaj go z rysunkami. Zlokalizuj i obrysuj granicę wolnego od pęcherzyków obszaru sieci superstrukturalnej moiré grafenowej górnego stosu, który zostanie nałożony na bramkę dolną.
    3. Dostosuj orientację bramki, aby pokryła największy obszar wolnego od pęcherzyków górnego stosu. Następnie obrysuj granicę bramki dolnej.
    4. Aby oderwać folię PC po enkapsulacji, ustaw temperaturę stołu próbek na 160 °C, co przekracza temperaturę przejścia szklistego PC (147 °C).
    5. Załaduj szkiełko z górnym stosem, a następnie przesuń je do pozycji przed kontaktem. Wstępnie wyrównaj zarówno bramkę dolną, jak i górny stos z rysunkami.
    6. Ustaw ostrość na bramce dolnej, a następnie lekko podnieś płaszczyznę ogniskową. Przesuń szkiełko w dół z prędkością 0,1 mm/s, aż górny stos stanie się widoczny w płaszczyźnie ogniskowej.
    7. Zidentyfikuj kolejną środkową płaszczyznę ogniskową między bramką dolną a górnym stosem. Ustaw prędkość na 5 µm/s i stopniowo opuszczaj pieczątkę, aż górny stos pojawi się w polu widzenia.
      UWAGA: W temperaturze powyżej 120 °C, po zetknięciu się pieczątki z płytką, ich rozdzielenie staje się bardzo trudne. Użycie środkowej płaszczyzny ogniskowej jako punktu odniesienia zapewnia, że pieczątka i płytka nie wejdą w kontakt do czasu osiągnięcia optymalnego wyrównania.
    8. Powtarzaj krok 3.5.7, aż bramka dolna i górny stos znajdą się niemal w tej samej płaszczyźnie ogniskowej. Wyrównaj je dokładnie z rysunkami. Służy to jako wyrównanie końcowe przed kontaktem pieczątki z płytką. W międzyczasie stół próbek osiąga temperaturę około 160 °C.
      UWAGA: Wysoka temperatura powoduje konwekcję powietrza, co prowadzi do oscylacji obrazu z kamery i komplikuje precyzyjne wyrównanie. Jest jednak niezbędne, aby szybko zakończyć wyrównanie, aby zapobiec relaksacji kąta skręcenia indukowanej termicznie. Wymaga to zatem znacznej praktyki.
    9. Użyj prędkości 5 µm/s, aby opuścić pieczątkę, aż dotknie ona płytki. Gdy front fali zbliży się do bramki dolnej, zmniejsz prędkość do 0,5 µm/s.
    10. Powoli dociśnij górny stos do bramki dolnej. Gdy front fali przejdzie przez górny stos, wróć do prędkości 5 µm/s, aby dociśnąć całą pieczątkę do płytki (podobnie jak na Rysunku 5J).
      UWAGA: Uważnie kontroluj front fali podczas dociśnięcia górnego stosu. Płynny proces zwiększa prawdopodobieństwo utrzymania docelowego kąta skręcenia w końcowym stosie.
    11. Odczekaj 1 min, aby upewnić się, że folia PC jest całkowicie zmiękczona, a następnie podnieś pieczątkę z prędkością 5 µm/s. Folia PC pozostaje przytwierdzona do płytki, podczas gdy pieczątka PDMS się cofa, tworząc pomiędzy nimi przezroczysty front fali (podobnie jak na Rysunku 5K).
    12. Gdy tylko front fali zostanie całkowicie cofnięty, folia PC i pieczątka PDMS zostaną całkowicie rozdzielone. Podnieś pieczątkę w górę przez dodatkowe 3 s z prędkością 5 µm/s, a następnie zacznij ją przesuwać, aby oderwać folię PC (podobnie jak na Rysunku 5L).
    13. Po oderwaniu folii PC całkowicie wyjmij szkiełko z prędkością 1 mm/s, a następnie wyjmij je z uchwytu. Wyłącz grzejnik stołu i aktywuj system chłodzenia wodą. Gdy stół ostygnie do temperatury pokojowej, wyjmij płytkę i obejrzyj enkapsulowaną sieć superstrukturalną moiré grafenową za pomocą mikroskopu optycznego.

4. Definicja geometrii paska Halla dla urządzeń z supersiecią moiré z grafenu

  1. Usuń folię PC, zanurzając wafle w chloroformie na 20 min. Po wyjęciu z roztworu chloroformu opłucz wafle alkoholem izopropylowym i wysusz strumieniem powietrza.
  2. Ponownie sprawdź strukturę za pomocą mikroskopu optycznego, aby upewnić się, że nie uległa ona zmianie po usunięciu folii PC. Następnie, korzystając z trybu tapping AFM, zeskanuj enkapsulowaną supersieć mory grafenu. Jako docelowy obszar urządzenia wybierz regiony wolne od pęcherzyków, pęknięć i naprężeń. Proces ten pozwala wyeliminować obszary o wysokim stopniu nieuporządkowania, co poprawia spójność kąta skręcenia w różnych próbkach.
  3. Wykorzystaj litografię elektronową (EBL) do zdefiniowania konfiguracji kontaktów, a następnie zastosuj trawienie jonami reaktywnymi (RIE) zgodnie ze standardową procedurą trawienia hBN (mieszanina CHF3 i O2), aby odsłonić świeże krawędzie grafenu. Jednowymiarowe kontakty krawędziowe Cr/Au29 nanieś metodą naparowania termicznego niezwłocznie po trawieniu.
  4. Użyj EBL i RIE do zdefiniowania końcowej geometrii urządzenia w formie paska Halla. To kończy proces wytwarzania urządzenia z supersieci mory grafenu.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Pomiary transportu w niskich temperaturach przeprowadzono w celu charakterystyki urządzeń z supersiecią moiré grafenu. Przyjmując MATBG jako przykład, typowy wykres wachlarza Landau dla wysokiej jakości urządzenia z kątem magicznym przedstawiono na Rysunku 8A22. Współczynnik wypełnienia płaskich pasm ν = 4n/ns opisuje gęstość nośników systemu, gdzie n jest gęstością nośników, a ns =

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Narzucenie małego kąta skrętu między warstwami grafenu może wprowadzić znaczny nieporządek w heterostrukturze. Dlatego, aby zmaksymalizować wskaźnik sukcesu w wytwarzaniu wysokiej jakości urządzeń z supersieci grafenowo-moirowej, niezbędna jest wysoce przestrajalna konfiguracja transferu z precyzyjną kontrolą położenia, kąta i temperatury. Ponadto zidentyfikowano kilka krytycznych aspektów podczas procesu produkcyjnego: rygorystyczne kryteria wyboru płatków, wstępnie oczyszczone dolne bramki bez pęcherzyków powietrza, ab...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy deklarują brak konfliktu interesów.

Podziękowania

Autorzy serdecznie dziękują wszystkim obecnym i byłym członkom Grupy Jarillo-Herrero za rozwój i optymalizację protokołu produkcji. Prace te były wspierane przede wszystkim przez Biuro Badawcze Armii MURI W911NF2120147; przy wsparciu również ze strony 2DMAGIC MURI FA9550-19-1-0390, MIT/Microsystems Technology Laboratories Samsung Semiconductor Research Fund, Sagol WIS-MIT Bridge Program, National Science Foundation (DMR-1809802), Gordon and Betty Moore Foundation's EPiQS Initiative poprzez GBMF9463 grantów oraz Fundacji Ramona Arecesa. W pracy wykorzystano Harvard's Center for Nanoscale Systems, wspierane przez NSF (ECS-0335765).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Platforma izolacji drgań laboratoryjnychMinus K Technology, Inc100BM-8Izolacja drgań do niestandardowej konfiguracji transferu
Kolorowa kameraKamera CMOS Teledyne FLIR LLCBFS-U3-200S6C-Cdo niestandardowej konfiguracji transferu
Pompa membranowaPfeiffer VacuumMVP 015-2Zapewnij moc ssania podciśnienia, aby zabezpieczyć płytkę na stoliku próbki
Stopień obrotu napędu bezpośredniegoThorlabs, IncDDR 100Stopień obrotowy do niestandardowej konfiguracji transferu
Ergonomiczny mikroskop o dużej mocyMitutoyo FS70do niestandardowej konfiguracji transferu
Stolik goniometruThorlabs, IncGNL 18 i GNL 10Kontroluj kąt nachylenia szkiełka
Kryształy grafituNGS Trading & Consulting GmbHFlaggy FlakesPłaskie i błyszczące kryształy grafitu do eksfoliacji grafenu
Laser światłowodowy superkontinuum dużej mocyFianium, IncSC-400 Do ablacji laserem grafenowym
Mikro siłowniki liniowe z wbudowanymi sterownikamiZaber TechnologiesX-NA08A25Sterowanie stolikiem na próbki X-Y
Mitutoyo 10x M Plan APO ObiektywMitutoyo 378-803-3Obiektyw 10x używany na etapie transferu
Mitutoyo 2x M Plan APO ObiektywMitutoyo 378-801-12Obiektyw 2x używany na etapie transferu
Mitutoyo 50x M Plan APO ObiektywMitutoyo 378-805-3Obiektyw 50x używany na stopniu transferowym
Siłownik z napędemZaber TechnologiesTRB12CC Sterowanie stolikiem uchwytu do szkieł X-Y-Z
Poli(węglan bisfenolu A)MiliporeSigma181641-25GCząstki PC do wytwarzania szkiełek ze stemplami PC / PDMS
Wafle Prime Grade SiNOVA Electronic MaterialsFP02-61160-DOWafel Si domieszkowany P do złuszczania materiału 2D. Szczegółowy opis: 6" P < 100> 0,001-0,005 oma-cm 650-700μ m Grube wafle SSP Si klasy Prime z tylko pierwotnym płaskim i 2850 A° ± 5% suchy tlenek termiczny
Niebieska samoprzylepna folia z tworzywa sztucznego bez silikonuUltron Systems, Inc1005R/1009RNiebieska taśma do złuszczania materiałów 2D
SYLGARD 184 Silikonowa kapsułka ClearDow Inc.4019862Pieczęć PDMS
Tryb gwintowania Sonda AFM z aluminiową powłoką odblaskowąInnovative Solutions Bulgaria LtdTap300Al-GKońcówka trybu gwintowania używana do czyszczenia końcówki
Ręczny stolik liniowy XYNewport CorporationM-462-XYX-Y do niestandardowej konfiguracji transferu
XYZ ręczny stolik liniowyNewport CorporationM-562-XYZStolik ze szklanym uchwytem na prowadnice X-Y-Z do niestandardowej konfiguracji transferu
Korpus mikroskopu

Bibliografia

  1. Cao, Y., et al. Correlated insulator behaviour at half-filling in magic-angle graphene superlattices. Nature. 556 (7699), 80-84 (2018).
  2. Cao, Y., et al. Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices. Nature. 556 (7699), 43-50 (2018).
  3. Andrei, E. Y., et al. The marvels of moiré materials. Nat Rev Mater. 6 (3), 201-206 (2021).
  4. Chen, G., et al. Evidence of a gate-tunable Mott insulator in a trilayer graphene moiré superlattice. Nat Phys. 15 (3), 237-241 (2019).
  5. Burg, G. W., Zhu, J., Taniguchi, T., Watanabe, K., MacDonald, A. H., Tutuc, E. Correlated insulating states in twisted double bilayer graphene. Phys Rev Lett. 123 (19), 197702(2019).
  6. Cao, Y., et al. Tunable correlated states and spin-polarized phases in twisted bilayer-bilayer graphene. Nature. 583 (7815), 215-220 (2020).
  7. Shen, C., et al. Correlated states in twisted double bilayer graphene. Nat Phys. 16 (5), 520-525 (2020).
  8. Liu, X., et al. Tunable spin-polarized correlated states in twisted double bilayer graphene. Nature. 583 (7815), 221-225 (2020).
  9. He, M., et al. Symmetry breaking in twisted double bilayer graphene. Nat Phys. 17 (1), 26-30 (2021).
  10. Park, J. M., Cao, Y., Watanabe, K., Taniguchi, T., Jarillo-Herrero, P. Tunable strongly coupled superconductivity in magic-angle twisted trilayer graphene. Nature. 590 (7845), 249-255 (2021).
  11. Cao, Y., Park, J. M., Watanabe, K., Taniguchi, T., Jarillo-Herrero, P. Pauli-limit violation and re-entrant superconductivity in moiré graphene. Nature. 595 (7868), 526-531 (2021).
  12. Hao, Z., et al. Electric field-tunable superconductivity in alternating-twist magic-angle trilayer graphene. Science. 371 (6534), 1133-1138 (2021).
  13. Park, J. M., et al. Robust superconductivity in magic-angle multilayer graphene family. Nat Mater. 21 (8), 877-883 (2022).
  14. Zhang, Y., et al. Promotion of superconductivity in magic-angle graphene multilayers. Science. 377 (6614), 1538-1543 (2022).
  15. Cao, Y., et al. Nematicity and competing orders in superconducting magic-angle graphene. Science. 372 (6539), 264-271 (2021).
  16. Sharpe, A. L., et al. Emergent ferromagnetism near three-quarters filling in twisted bilayer graphene. Science. 365 (6453), 605-608 (2019).
  17. Serlin, M., et al. Intrinsic quantized anomalous Hall effect in a moiré heterostructure. Science. 367 (6480), 900-903 (2020).
  18. Chen, G., et al. Tunable correlated Chern insulator and ferromagnetism in a moiré superlattice. Nature. 579 (7797), 56-61 (2020).
  19. De Sanctis, A., et al. Strain-engineering of twist-angle in graphene/hBN superlattice devices. Nano Lett. 18 (12), 7919-7926 (2018).
  20. Kazmierczak, N. P., et al. Strain fields in twisted bilayer graphene. Nat Mater. 20 (7), 956-963 (2021).
  21. Beechem, T. E., Ohta, T., Diaconescu, B., Robinson, J. T. Rotational disorder in twisted bilayer graphene. ACS Nano. 8 (2), 1655-1663 (2014).
  22. Uri, A., et al. Mapping the twist-angle disorder and Landau levels in magic-angle graphene. Nature. 581 (7806), 47-52 (2020).
  23. Zondiner, U., et al. Cascade of phase transitions and Dirac revivals in magic-angle graphene. Nature. 582 (7811), 203-208 (2020).
  24. Wang, D., et al. Thermally induced graphene rotation on hexagonal boron nitride. Phys Rev Lett. 116 (12), 126101(2016).
  25. Woods, C. R., et al. Macroscopic self-reorientation of interacting two-dimensional crystals. Nat Commun. 7 (1), 10800(2016).
  26. Lau, C. N., Bockrath, M. W., Mak, K. F., Zhang, F. Reproducibility in the fabrication and physics of moiré materials. Nature. 602 (7895), 41-50 (2022).
  27. Castellanos-Gomez, A., et al. Deterministic transfer of two-dimensional materials by all-dry viscoelastic stamping. 2D Mater. 1 (1), 011002(2014).
  28. Zomer, P. J., Guimarães, M. H. D., Brant, J. C., Tombros, N., van Wees, B. J. Fast pick up technique for high quality heterostructures of bilayer graphene and hexagonal boron nitride. Appl Phys Lett. 105 (1), 013101(2014).
  29. Wang, L., et al. One-dimensional electrical contact to a two-dimensional material. Science. 342 (6158), 614-617 (2013).
  30. Bistritzer, R., MacDonald, A. H. Moiré bands in twisted double-layer graphene. Proc Natl Acad Sci U S A. 108 (30), 12233-12237 (2011).
  31. Uri, A., et al. Superconductivity and strong interactions in a tunable moiré quasicrystal. Nature. 620 (7975), 762-767 (2023).
  32. Xia, L. -Q., et al. Topological bands and correlated states in helical trilayer graphene. Nat Phys. 21 (2), 239-244 (2025).
  33. Zhu, J., Li, T., Young, A. F., Shan, J., Mak, K. F. Quantum oscillations in two-dimensional insulators induced by graphite gates. Phys Rev Lett. 127 (24), 247702(2021).
  34. Jang, S. K., Youn, J., Song, Y. J., Lee, S. Synthesis and characterization of hexagonal boron nitride as a gate dielectric. Sci Rep. 6 (1), 30449(2016).
  35. Kim, K., et al. der Waals heterostructures with high accuracy rotational alignment. Nano Lett. 16 (3), 1989-1995 (2016).
  36. Cao, Y., et al. Superlattice-induced insulating states and valley-protected orbits in twisted bilayer graphene. Phys Rev Lett. 117 (11), 116804(2016).
  37. Roberts, A., et al. Response of graphene to femtosecond high-intensity laser irradiation. Appl Phys Lett. 99 (5), 051912(2011).
  38. Park, J. M., Cao, Y., Watanabe, K., Taniguchi, T., Jarillo-Herrero, P. Flavour Hund's coupling, Chern gaps and charge diffusivity in moiré graphene. Nature. 592 (7852), 43-48 (2021).
  39. Li, H., et al. Electrode-free anodic oxidation nanolithography of low-dimensional materials. Nano Lett. 18 (12), 8011-8015 (2018).
  40. Park, J. M., Sun, S., Watanabe, K., Taniguchi, T., Jarillo-Herrero, P. Simultaneous transport and tunneling spectroscopy of moiré graphene: Distinct observation of the superconducting gap and signatures of nodal superconductivity. , http://arxiv.org/abs/2503.16410 (2025).
  41. Long, G., et al. Achieving ultrahigh carrier mobility in two-dimensional hole gas of black phosphorus. Nano Lett. 16 (12), 7768-7773 (2016).
  42. Haigh, S. J., et al. Cross-sectional imaging of individual layers and buried interfaces of graphene-based heterostructures and superlattices. Nat Mater. 11 (9), 764-767 (2012).
  43. Wang, W., et al. Clean assembly of van der Waals heterostructures using silicon nitride membranes. Nat Electron. 6 (12), 981-990 (2023).
  44. Masubuchi, S., et al. Autonomous robotic searching and assembly of two-dimensional crystals to build van der Waals superlattices. Nat Commun. 9 (1), 1413(2018).
  45. Mannix, A. J., et al. Robotic four-dimensional pixel assembly of van der Waals solids. Nat Nanotechnol. 17 (4), 361-366 (2022).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Grafenowa superstruktura morykontrola kąta skręceniatechnika suchego transferuablacja laserowaheksagonalny azotek borubezpęcherzykowa bramka dolnamateriały dwuwymiarowekwantowe urządzenia elektronicznekopuła nadprzewodzącaskorelowany stan izolacyjny
Zoptymalizowana procedura produkcji wysokiej jakości urządzeń z efektu mory superkratowej na bazie grafenu
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.