Fabricando Van der Waals Heterostructures com alinhamento rotativo preciso

Este protocolo permite a criação de materiais de natureza até então inexistente, com o objetivo de descobrir fenômenos físicos antes inacessíveis ou desenvolver dispositivos superiores para aplicações tecnológicas. A principal vantagem dessa técnica é que o equipamento pode ser operado remotamente e em um controle ambiental, e isso pode reduzir o risco de erro manual e também pode melhorar a limpeza da amostra. Além disso, o sistema é equipado com um estágio rotacional, e isso permite que o usuário alcance o alinhamento angular subfaturado entre os dois flocos.

Como estamos trabalhando com cristais finos e pequenas áreas de superfície, a identificação de um floco de tamanho apropriado pode ser um desafio para o olho destreinado. Além disso, o tamanho pequeno do cristal pode facilmente levar ao desalinhamento durante o procedimento de transferência. Por isso, recomenda-se executar essas etapas meticulosamente.

Muitos passos no protocolo têm detalhes particulares que são difíceis de explicar, mas são muito mais simples de seguir quando apresentados visualmente. Para visualizar o processo de transferência, utilize um microscópio óptico que possa operar sob iluminação de campo brilhante. Equipar o microscópio com objetivos de 5x, 50x e 100x de longa distância.

O microscópio também deve ser equipado com uma câmera que se conecta a um computador. Equipar dois manipuladores separados, mostrados aqui, para controlar individualmente a posição dos cristais. Fabricar suportes de amostras personalizados que possam suportar um slide de vidro.

Este suporte de amostra será usado para posicionar o cristal superior. Para os manipuladores inferiores, coloque um elemento de aquecimento plano em um suporte de cerâmica de vidro usinado e fixe-o ao estágio rotativo. Em seguida, conecte o elemento de aquecimento a uma fonte de alimentação e um controlador de temperatura.

Submergir um quadrado de um por um centímetro de um wafer de óxido de silício em um béquer cheio de acetona e, em seguida, coloque o béquer em um limpador ultrassônico. Após 10 minutos, use um par de pinças para remover o wafer do béquer e enxágüe-o com isopropanol, em seguida, seque o wafer usando uma arma de nitrogênio. Em seguida, remova cuidadosamente uma parte do cristal e coloque-o em um pedaço de fita adesiva de nível semicondutor.

Pegue um segundo pedaço de fita adesiva e pressione-a firmemente contra a fita inicial segurando o cristal. Retire as duas peças de fita, repetindo várias vezes, para produzir muitas peças finas de cristal. Pressione a fita adesiva com os cristais 2D finos em um substrato recém-limpo, de tal forma que o cristal esteja em contato direto com o substrato e retire a fita para deixar flocos esfoliados no substrato.

Para remover qualquer adesivo residual, coloque a amostra resultante em um béquer cheio de acetona. Após 10 minutos, retire a amostra, enxágue com isopropanol e seque com uma arma de nitrogênio. Examine os flocos esfoliados usando um microscópio óptico para estimar sua espessura avaliando o contraste óptico do floco com o substrato.

Em seguida, use AFM no modo de toque para quantificar melhor a morfologia da superfície e medir a espessura do floco. Prepare o substrato superior para o procedimento de transferência esfoliando o cristal em uma lâmina de vidro com uma filme de polimemetato anexado. Depois de obter um substrato limpo como mostrado anteriormente, coloque o substrato em um revestimento de spin e cubra-o com álcool polivinyl.

Gire o substrato a 3.000 RPM por um minuto para produzir uma camada de aproximadamente 450 nanômetros de espessura. Em seguida, coloque o substrato diretamente sobre uma placa quente e asse-o descoberto a 75 graus Celsius por cinco minutos. Uma vez frio, coloque o substrato de volta no revestimento de giro e cubra-o com polimetilmetato.

Gire uma camada de 820 nanômetros de espessura de PMMA no substrato a 1.500 RPM por um minuto. Após o revestimento de giro, coloque o substrato de volta na placa quente e asse-o descoberto a 75 graus Celsius. Após cinco minutos, remova o substrato da placa quente e coloque pedaços de fita adesiva ao longo de suas bordas para criar uma moldura de fita.

Em seguida, esfolie mecanicamente um cristal 2D na superfície pmma, como mostrado na seção anterior. Use um par de pinças afiadas para separar o PMMA do PVA, lentamente descascando a moldura da fita. A camada PMMA e o cristal esfoliado, juntamente com a moldura da fita, se desprenderão do PVA no substrato de óxido de silício-wafer de silício.

Em seguida, inverta a moldura da fita e coloque-a em um suporte usinado para que o cristal fique voltado para baixo. Coloque a amostra sob um microscópio óptico e use um par de pinças afiadas para colocar uma pequena arruela precisamente na película PMMA para que ela rodeia o floco desejado. Em seguida, abaixe uma lâmina de vidro e adere ao polímero pressionando-o contra a fita exposta.

Coloque o substrato preparado no estágio inferior da configuração de transferência. Neste substrato, identifique a posição do floco desejado. Este floco se tornará o cristal inferior.

Em seguida, coloque o substrato superior no suporte superior do substrato da configuração de transferência. Usando um objetivo de baixa ampliação, coloque o substrato inferior em foco e centralizar o floco desejado. Abaixe lentamente o substrato superior até que possa ser visto pelo objetivo.

Em seguida, ajuste sua posição lateral e o alinhamento rotacional dos dois flocos. Quando os flocos estiverem próximos de serem alinhados conforme desejado, mude para um objetivo de 50x e continue a baixar o substrato superior, ao mesmo tempo em que ajusta o alinhamento do floco. Em seguida, uma vez alinhado, abaixe o substrato superior até que o floco superior entre em contato inteiramente com o floco inferior.

O contato é perceptível devido a uma mudança repentina de cor. Quando o contato for feito, aqueça o substrato inferior a 75 graus Celsius para melhor adesão do PMMA ao substrato inferior. O PMMA se soltará do escorregador de vidro.

Em seguida, limpe o substrato inferior para remover o filme PMMA. Para usar o método de carimbo de transferência de flocos, primeiro coloque o substrato no estágio inferior da configuração de transferência. Neste substrato, identifique a posição do floco desejado, que será o cristal inferior.

Em seguida, coloque o substrato superior no suporte da configuração de transferência e aqueça o substrato inferior a 100 graus Celsius. Em seguida, alinhe e coloque o cristal superior em contato com o floco inferior. Uma vez feito contato completo entre os dois flocos, levante lentamente o substrato superior.

Isso resulta na queda do floco superior do selo para o substrato inferior. Cristais de dissulfeto de rênio são ideais para demonstrar alinhamento angular, pois esfolia mecanicamente como barras alongadas com bordas bem definidas. Aqui, o floco superior foi colocado em um ângulo de 75 graus para o cristal inferior usando o método de carimbo PDMS mostrado neste vídeo.

A microscopia de força atômica foi usada para medir precisamente o ângulo de torção entre os flocos superiores e inferiores. Utilizando o procedimento PMMA PVA, a configuração de transferência foi usada com sucesso para criar uma estrutura composta por dois flocos monocamadas de dissulfeto de molbdenum. As monocamadas individuais são mostradas aqui esfoliadas em PMMA e dióxido de silício.

O procedimento demonstrado resulta na estrutura mostrada aqui através de um microscópio óptico. Mais detalhes, como a espessura e a posição relativa da monocamada empilhada podem ser confirmados usando AFM. As partes mais importantes deste procedimento são o alinhamento lateral e rotacional dos flocos.

Outros métodos de transferência existem e seguem um protocolo semelhante, e diferentes polímeros e cristais bidimensionais podem ser usados para fabricar estruturas particulares. E, claro, métodos adicionais de limpeza podem ser usados para garantir superfícies e interfaces de cristal intocadas. Ao usar produtos químicos como PMMA, acetona e outros, certifique-se de usar os equipamentos de proteção individual adequados e realizar os passos em um ambiente bem ventilado, como um capuz de fumaça.