Procedimento de fabricação otimizado para dispositivos de super-rede Moiré à base de grafeno de alta qualidade

Nossa pesquisa está focada nas propriedades eletrônicas quânticas de materiais bidimensionais e suas heteroestruturas, com o objetivo de descobrir e investigar novos fenômenos quânticos e desenvolver novos dispositivos eletrônicos. Fomos pioneiros no campo de torneamentos de torção, onde as propriedades das heteroestruturas dos materiais bidimensionais mudam em função do ângulo entre as camadas. A descoberta mais impactante foi a superconectividade na angiografia mágica.

Alcançar um ângulo de torção preciso continua sendo um desafio devido ao distúrbio de tensão do aquecedor e ao relaxamento da rede introduzido durante o processo de nanofabricação, o que geralmente leva à homogeneidade e limita a reprodutibilidade entre as amostras. Este protocolo reflete nossa experiência na otimização de cada etapa de fabricação para melhorar a uniformidade e o rendimento, permitindo que mais pesquisadores construam de forma confiável dispositivos moiré de grafeno de alta qualidade e acelerem o progresso neste campo.

[Narrador] Para começar, coloque um wafer de grafeno no estágio de amostra da configuração de transferência, integrado a um laser super contínuo. Use espiar para tornar a janela do Inkscape semitransparente enquanto flutua acima da janela da câmera. Use a função desenhar curvas BZA e linhas retas no Inkscape para delinear o limite do grafeno e as linhas de corte a laser planejadas. Agora ligue o laser e aumente a intensidade até que o ponto do feixe fique visível. Ajuste o sample stage para alinhar o ponto do feixe com o início de uma linha de corte a laser planejada. Em seguida, mova o sample stage para guiar o ponto do feixe ao longo da linha de corte a laser planejada. Depois de zerar a intensidade do laser, inspecione a linha de corte a laser. Repita as etapas até que todas as linhas planejadas sejam cortadas a laser. Para pegar o floco de nitrito de boro hexagonal superior, ajuste a orientação do floco até que a borda reta fique vertical e posicionada no lado direito. Suavemente clamp a corrediça de vidro com o PC e o carimbo PDMS dentro do soquete em um ângulo de inclinação para baixo de dois a três graus. Deslize o soquete para a esquerda usando a bandeja deslizante até que a lâmina de vidro esteja posicionada acima do wafer de amostra e, em seguida, trave-o manualmente no lugar. Depois de definir o sample temperatura do estágio para 50 graus Celsius, engate a corrediça de vidro para baixo usando o atuador de direção Z. Concentre o microscópio no filme de policarbonato e inspecione a limpeza da superfície. Mova o floco hexagonal de nitreto de boro para a região limpa selecionada e engate a corrediça mais para baixo. Agora encaixe o carimbo no wafer com uma velocidade de cinco micrômetros por segundo, até cobrir completamente o floco hexagonal de nitreto de boro, depois ajuste a temperatura do estágio da amostra para 80 graus Celsius. Depois que a temperatura do estágio da amostra atingir 80 graus Celsius, solte o carimbo com cinco micrômetros por segundo até que a frente de onda esteja próxima da borda reta hexagonal de nitrito de boro e, em seguida, pegue o floco com uma velocidade reduzida de dois micrômetros por segundo. Uma vez coletado, aumente a velocidade para cinco micrômetros por segundo para separar o filme de policarbonato do wafer. Desligue o stage aquecedor e abra o sistema de resfriamento de água. Quando a temperatura cair abaixo de 45 graus Celsius, feche o sistema de resfriamento de água. Desengate a corrediça de vidro totalmente para cima a um milímetro por segundo. Coloque o wafer com o grafeno recém-cortado a laser no estágio de amostra e localize o grafeno usando a objetiva 10X. Ajuste a orientação do floco para que as linhas de corte a laser fiquem paralelas à borda reta hexagonal de nitreto de boro. Delineie o limite do grafeno no Inkscape, incluindo as linhas de corte a laser. Agora mova a lâmina de vidro com o floco de nitreto de boro hexagonal superior para a posição pré-engatada com o PC e o carimbo PDMS dois milímetros acima do wafer de grafeno. Alinhe a borda reta do floco com o centro da linha de corte a laser para combinar o nitreto de boro hexagonal com o desenho do grafeno. Ajuste o microscópio para focar no grafeno e alinhe-o ao desenho do Inkscape. Em seguida, concentre-se no floco superior e mova a lâmina de vidro na direção XY para alinhá-la ao seu desenho. Depois de focar novamente em um plano focal ligeiramente mais alto que o grafeno pré-cortado, engate a corrediça de vidro para baixo a 0.1 milímetro por segundo até que o floco superior entre em foco. Concentre-se novamente no grafeno e defina a velocidade para cinco micrômetros por segundo. Engate o carimbo lentamente até que o floco se torne mais ou menos visível, garantindo que não haja contato com o wafer. Continue a engatar o carimbo para baixo até que ele entre em contato com o wafer. Encaixe o carimbo a 0,5 micrômetros por segundo até que a frente de onda esteja próxima da borda esquerda do floco. Reduza a velocidade em 0,02 micrômetros por segundo e continue o contato com a primeira peça de grafeno. Assim que o floco cobrir totalmente a primeira peça de grafeno e estiver preso na borda reta, pare o engate. Limpe a histerese movendo o estágio para cima a cinco micrômetros por segundo até que a frente de onda comece a se retrair. Defina uma velocidade de desengate de 0,02 micrômetros por segundo para captar o grafeno suavemente. Quando a frente de onda se afastou do floco, aumente a velocidade para cinco micrômetros por segundo para separar totalmente o carimbo do wafer. Agora copie todo o desenho de grafeno no Inkscape e gire-o pelo ângulo de torção desejado. Alinhe a segunda peça de grafeno no desenho de cópia com a primeira peça no desenho original para maximizar a sobreposição. Gire a amostra pelo ângulo de torção desejado. Alinhe o grafeno restante no wafer ao desenho copiado. Concentre-se no floco de nitreto de boro hexagonal superior na lâmina de vidro e alinhe-o ao desenho. Depois de alinhar os flocos aos desenhos, repita as etapas demonstradas para pegar o grafeno restante. Uma vez captado, examine a qualidade da pilha superior ao microscópio. Coloque o wafer com a porta inferior pré-limpa e sem bolhas no sample stage. Contorne o limite do portão inferior usando o Inkscape. Alinhe o desenho da pilha superior com o da porta inferior para colocar o grafeno bicamada torcido no dedo de grafite. Defina a temperatura do estágio de amostra para 160 graus Celsius para arrancar o filme de policarbonato após o encapsulamento, em seguida, carregue a lâmina de vidro com a pilha superior e mova-a para a posição pré-engatada. Alinhe aproximadamente a porta inferior e a pilha superior aos desenhos. Concentre-se no portão inferior e, em seguida, aumente ligeiramente o plano focal. Identifique outro plano focal médio entre a porta inferior e a pilha superior, defina a velocidade para cinco micrômetros por segundo e encaixe o carimbo até que a pilha superior esteja visível. Alinhe ambos aos desenhos com precisão. Quando o estágio de amostra estiver acima de 150 graus Celsius, encaixe o carimbo em cinco micrômetros por segundo até que a frente de onda esteja perto da porta inferior e, em seguida, reduza a velocidade para 0,5 micrômetros por segundo. Engate lentamente a pilha superior no portão inferior. Assim que a frente de onda passar pela pilha superior, aumente a velocidade de volta para cinco micrômetros por segundo para engatar totalmente o carimbo no wafer e, em seguida, desengate o carimbo a cinco micrômetros por segundo. Depois de separar completamente o carimbo do wafer, levante o carimbo para cima por três segundos a cinco micrômetros por segundo. Comece a movê-lo nas direções XY para arrancar o filme de policarbonato. Desengate totalmente a corrediça de vidro a um milímetro por segundo e remova-a do soquete. Desligue o stage aquecedor e ative o sistema de resfriamento de água. Quando a temperatura cair para a temperatura ambiente, remova o wafer e inspecione sob um microscópio óptico. Ventiladores de terra degenerados quádruplos emergiram tanto do ponto de neutralidade de carga quanto das lacunas de super rede no dispositivo de grafeno bicamada torcido de ângulo mágico de alta qualidade, quebrando-se em degenerescências duplas ou únicas em campos magnéticos mais altos. Ventiladores de terra degenerados quebrados por simetria foram identificados em estados de meio enchimento, indicando comportamento isolante correlacionado. A cúpula supercondutora estava localizada embaixo do leque terrestre em torno do estado de meio enchimento. As medições de resistência dependentes da temperatura revelaram duas cúpulas supercondutoras em ambos os lados do estado de meio enchimento, com a temperatura crítica máxima atingindo aproximadamente 1,7 Kelvin. Entre os 14 dispositivos medidos, a temperatura crítica ideal atingiu o pico em um ângulo de torção próximo a 1,08 graus, consistente com as previsões teóricas. Dispositivos desordenados próximos ao ângulo mágico exibiram temperaturas críticas significativamente reduzidas em comparação com dispositivos de alta qualidade, como visto em seus perfis de resistência versus temperatura. Essas observações ressaltam a importância de otimizar o procedimento de fabricação para obter dispositivos de super-rede Moiré baseados em grafeno de alta qualidade.