Summary
في هذا العمل نقوم بوصف تقنية تستخدم لخلق بلورات جديدة (فان دير والس الهياكل الغيرية) عن طريق التراص المواد الطبقات رقيقة جدا 2D مع السيطرة الدقيقة على الموقف والتوجه النسبي.
Abstract
في هذا العمل نقوم بوصف تقنية لخلق بلورات جديدة (فان دير والس الهياكل الغيرية) عن طريق التراص متميزة فائقة النحافة الطبقات 2D المواد. نحن لا نظهر السيطرة الجانبية فقط ولكن، الأهم من ذلك، أيضا السيطرة على محاذاة الزاوي من الطبقات المجاورة. يتم تمثيل جوهر هذه التقنية من قبل إعداد نقل المنزل الذي يسمح للمستخدم للسيطرة على موقف بلورات الفردية المشاركة في النقل. ويتحقق ذلك بدقة دون ميكرومتر (ترجمة) ودرجة فرعية (زاوي). قبل التراص معا، يتم التلاعب بلورات معزولة بشكل فردي من قبل مراحل متحركة مصممة خصيصا التي يتم التحكم فيها من قبل واجهة البرامج المبرمجة. وعلاوة على ذلك، وبما أن إعداد النقل بأكمله يتم التحكم فيه من قبل الكمبيوتر، يمكن للمستخدم عن بعد إنشاء هياكل غير متجانسة دقيقة دون الدخول في اتصال مباشر مع إعداد النقل، ووضع علامة على هذه التقنية بأنها "خالية من اليدين". بالإضافة إلى تقديم مجموعة نقل، ونحن أيضا وصف اثنين من التقنيات لإعداد بلورات التي يتم مكدسة في وقت لاحق.
Introduction
بدأت البحوث في المجال المزدهر للمواد ثنائية الأبعاد (2D) بعد أن طور الباحثون تقنية مكنت من عزل الجرافين1و2و3 (ورقة مسطحة من ذرات الكربون) من الجرافيت. الجرافين هو عضو في فئة أكبر من المواد ذات الطبقات 2D، ويشار إليها أيضا باسم فان دير Waals المواد أو بلورات. لديهم قوية الترابط داخل الطبقات المشتركة وضعف فان دير والس اقتران بين الطبقات. ولذلك، فإن تقنية عزل الجرافين من الجرافيت يمكن أيضا أن تطبق على مواد أخرى 2D حيث يمكن للمرء كسر الروابط بين الطبقات ضعيفة وعزل طبقات واحدة. وكان أحد التطورات الرئيسية في هذا المجال هو مظاهرة أنه تماما كما يمكن كسر سندات فان دير والس عقد طبقات متجاورة من المواد ثنائية الأبعاد معا، ويمكن أيضا أن توضع معا مرة أخرى2،4. لذلك، يمكن إنشاء بلورات من المواد 2D عن طريق التراص بشكل يمكن السيطرة عليها معا طبقات من المواد 2D مع خصائص متميزة. وقد أثار ذلك قدرا كبيرا من الاهتمام، حيث يمكن إنشاء مواد لم تكن موجودة في السابق في الطبيعة بهدف إما الكشف عن الظواهر المادية التي لم يكن من الممكن الوصول إليها من قبل4و5و6و7 ،8،9 أو تطوير أجهزة متفوقة لتطبيقات التكنولوجيا. لذلك، أصبح وجود سيطرة دقيقة على التراص المواد 2D واحدة من الأهداف الرئيسية في مجال البحوث10،11،12.
وعلى وجه الخصوص، تبين أن زاوية الالتواء بين الطبقات المجاورة في هياكل فان دير والس غير المتجانسة هي معلمة هامة للتحكم في خصائص المواد13. على سبيل المثال، في بعض الزوايا، يمكن إدخال تطور نسبي بين الطبقات المجاورة فك بين الطبقتين إلكترونيًا بشكل فعال. وقد درس هذا على حد سواء في الجرافين14،15 وكذلك في انتقال dichalcogenides المعادن16،17،18،19. وفي الآونة الأخيرة، تبين من المستغرب أنه يمكن أيضا تغيير حالة هذه المواد. وقد أثار اكتشاف أن الجرافين ثنائي الطبقة الموجهة في "زاوية سحرية" كعازل موت في درجات حرارة منخفضة وحتى موصل فائق عندما يتم ضبط كثافة الإلكترون بشكل صحيح اهتماما كبيرا وإدراك أهمية السيطرة الزاوي عند تلفيق الطبقات فان دير Waals الهياكل heterostructures13،20،21.
بدافع من الفرص العلمية التي فتحتها فكرة ضبط خصائص مواد رواية فان دير والس من خلال ضبط التوجه النسبي بين الطبقات، نقدم أداة منزلية جنبا إلى جنب مع إجراء إنشاء مثل هذه الهياكل مع التحكم الزاوي.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1- أجهزة إجراء النقل
- من أجل تصور عملية النقل، استخدم المجهر البصري الذي يمكن أن يعمل تحت إضاءة الحقل الساطع. منذ الأحجام النموذجية للبلورات 2D هي 1-500 ميكرومتر2،تجهيز المجهر مع 5X، 50X، و 100X أهداف مسافة العمل الطويلة. يجب أيضا أن تكون مجهزة المجهر مع الكاميرا التي تتصل جهاز كمبيوتر (الشكل1a).
- استخدام المتلاعبين منفصلة للسيطرة بشكل فردي على موقف بلورات اثنين التي على وشك أن تكون مكدسة. استخدم المتلاعبين القابلة للبرمجة والتحكم من قبل جهاز كمبيوتر لتقليل الاهتزازات أثناء إجراء النقل.
ملاحظة: المتلاعبين المسؤولين عن حركة حامل الركيزة العليا (الشكل1b-c)تحتاج فقط التحرك في اتجاه X و Y و Z. الأهم من ذلك، فإن المتلاعبين المسؤولين عن السيطرة على حامل الركيزة السفلي (الشكل1ه-و)هي أيضا قادرة على تدوير بأي زاوية Θ (حركة الترجمة والتناوب). - من أجل إرفاق العينات على المتلاعبين المرحلة العليا، وتصنيع أصحاب عينة مخصصة التي يمكن أن تدعم شريحة زجاجية. سيتم وضع الكريستال الأعلى على الشريحة الزجاجية (الشكل1D).
- بالنسبة للمتلاعبين في الجزء السفلي، ضع عنصر تدفئة مسطح في حامل من السيراميك الزجاجي (الشكل1g)ولصقه على مرحلة الدوران. قم بتوصيل عنصر التدفئة بمصدر طاقة وتحكم في درجة الحرارة.
- برنامج وحدات التحكم مع برنامج الأجهزة (على سبيل المثال، LabVIEW) للسيطرةعلى الموقف النسبي للمتلاعبين (الشكل 2).
- لتنفيذ الاقتراحات اللازمة، برنامج البرنامج مع القدرات التالية: نقل بشكل فردي أو في وقت واحد المتلاعبين؛ قراءة وحفظ واسترداد موقف كل متلاعب؛ ضبط بسهولة سرعة المتلاعبين، والتركيز التلقائي في المرحلة السفلى. ميزات السلامة البناء في لمنع أي تصادم محتمل بين العينة والعدسة.
2. تقشير الميكانيكية من الكريستال 2D.
- إعداد الركيزة لإجراء التقشير الميكانيكية.
- غمر 1 سم × 1 سم مربعات من السيليكون /أكسيد السيليكون (سي / سيو 2) رقاقات في كوب مليئة الأسيتون ووضع الكأس في منظف بالموجات فوق الصوتية لمدة 10 دقائق.
- إزالة رقاقات بشكل فردي من الكأس مع ملاقط وشطفها مع isopropanol (IPA)ثم تجفيفها مع النيتروجين (N 2) بندقية.
ملاحظة: عند العمل مع الأسيتون وIPA، ويقترح القيام بذلك تحت غطاء الدخان أثناء ارتداء PPE السليم.
- تقشير البلورة ميكانيكيًا على الركيزة.
- باستخدام ملاقط، وإزالة بعناية جزء من الكريستال ووضعها على قطعة من شريط لاصق أشباه الموصلات الصف.
- خذ قطعة ثانية من شريط لاصق واضغط عليه بقوة ضد الشريط الأولي مع الكريستال ثم قشر بعيدا قطعتين من الشريط. بعد تكرار عدة مرات، سيتم العثور على العديد من القطع أرق من الكريستال على الشريط.
- اضغط على شريط لاصق مع بلورات رقيقة 2D على الركيزة تنظيفها حديثا بحيث الكريستال هو في اتصال مباشر مع الركيزة وقشر بعيدا الشريط لترك رقائق مقشرة على الركيزة.
- لإزالة أي لاصق ة متبقية، ضع العينات الناتجة (ركائز مع بلورات 2D مقشرة على سطحها) في كوب مملوء بالأسيتون لمدة 10 دقائق.
- استخدام المجهر البصري لفحص رقائق مقشرة. تقدير سمكها من خلال تقييم التباين البصري للرقاقة مع الركيزة22. صورة رقائق باستخدام مجهرية القوة الذرية (AFM) في وضع التنصت (انظر جدولالمواد) لتحديد أفضل مورفولوجيا السطح وقياس سمك رقاقة.
3. PMMA-PVA طريقة لتلفيق فان دير Waals الهياكل المتجانسة (إعداد الركيزة العليا).
- إعداد الركيزة العليا لإجراء النقل عن طريق تقشير الكريستال على بولي (ميثيل ميثاكريلات) (PMMA) فيلم تعلق على شريحة زجاجية (الشكل3a-d).
- اتبع الإجراء الموضح في الخطوة 2.1. للحصول على الركيزة نظيفة. تدور معطف طبقة من الكحول البولي فينيل (PVA) على الركيزة في 3000 دورة في الدقيقة لمدة 1 دقيقة باتباع البروتوكول الموصوف في دليل المستخدم الصك.
ملاحظة: عند استخدام المغطي تدور، ويقترح القيام بذلك تحت غطاء الدخان أثناء ارتداء PPE السليم. - وضع الركيزة مباشرة على طبق ساخن وخبز كشفها في الهواء في 75 درجة مئوية لمدة 5 دقائق.
- تدور معطف طبقة من PMMA على الركيزة من الخطوة 3.1.2 باتباع إجراء مماثل للإجراء في الخطوة 3.1.1، ولكن هذه المرة تعيين المعلمات الغزل إلى سرعة الزاوي من 1500 دورة في الدقيقة لمدة 1 دقيقة (الشكل3a).
- وضع الركيزة مباشرة على طبق ساخن وخبز كشفها في الهواء في 75 درجة مئوية لمدة 5 دقائق.
- إزالة الركيزة من لوحة ساخنة ووضع قطعة من شريط لاصق على طول حوافه لإنشاء إطار الشريط. ثم، تقشير ميكانيكيا الكريستال 2D على سطح PMMA باتباع الخطوة 2.2 (الشكل3b).
- استخدام ملاقط حادة لفصل PMMA من PVA عن طريق تقشير ببطء مرة أخرى إطار الشريط. طبقة PMMA والكريستال مقشر جنبا إلى جنب مع إطار الشريط سوف تنفصل عن PVA وSi/SiO2 الركيزة (الشكل3ج).
- عكس إطار الشريط ووضعه على دعم تشكيله بحيث تواجه الكريستال إلى أسفل (الشكل3D).
ملاحظة: هذا الدعم يتيح للمستخدم وضع إطار الشريط تحت المجهر البصري لفحص التقشير على PMMA وتحديد رقاقة مع السماكة المطلوبة والهندسة. - استخدام ملاقط حادة والمجهر البصري لوضع غسالة صغيرة (0.5 مم دائرة نصف قطرها الداخلية) على وجه التحديد على فيلم PMMA بحيث يحيط تقشر المطلوب (الشكل3D).
- خفض شريحة زجاجية والتمسك بها البوليمر عن طريق الضغط عليه ضد الشريط المكشوفة.
- اتبع الإجراء الموضح في الخطوة 2.1. للحصول على الركيزة نظيفة. تدور معطف طبقة من الكحول البولي فينيل (PVA) على الركيزة في 3000 دورة في الدقيقة لمدة 1 دقيقة باتباع البروتوكول الموصوف في دليل المستخدم الصك.
4. Polydimethylsiloxane (PDMS) طريقة ختم لتلفيق فان دير Waals الهياكل غير المتجانسة (إعداد الركيزة العليا).
- إعداد محلول كربونات البولي بروبلين (PPC) لطلاء تدور عن طريق خلط ثلاثة أجزاء PPC الكريستال مع سبعة عشر أجزاء anisole. ويتم ذلك عن طريق السماح للحل مزيج في النمام لمدة 8 ساعة تقريبا أو حتى يكون الحل متجانسا.
- إعداد الركيزة العليا لإجراء النقل عن طريق تقشير الكريستال على فيلم PPC ومن ثم وضعه على ختم PDMS تعلق على شريحة زجاجية (الشكل4a-d).
- اتبع الإجراء في الخطوة 2.1. للحصول على الركيزة نظيفة. تدور معطف طبقة من PPC على الركيزة في 3000 دورة في الدقيقة لمدة 1 دقيقة (الشكل4a).
- وضع الركيزة مباشرة على طبق ساخن وخبز كشفها في الهواء في 75 درجة مئوية لمدة 5 دقائق.
- إزالة الركيزة من لوحة ساخنة ووضع قطعة من شريط لاصق على طول حوافه لإنشاء إطار الشريط.
- تقشير ميكانيكيا الكريستال الطبقات 2D على الركيزة المغلفة PPC باتباع الخطوة 2.2 واستخدام المجهر البصري لتحديد رقاقة مع السماكة المطلوبة والهندسة. (الشكل4ب).
- استخدام مقص أو شفرة الجراحية لقطع قطعة من PDMS في 2 مم × 2 مم مربع ووضعها في البلازما الأكسجين الخ لمدة 2 دقيقة في 50 W و 53.3 باسكال.
- في نهاية الدورة، اضغط على شريحة زجاجية على ختم PDMS لربط الاثنين معا. وضع الشريحة الزجاجية وختم PDMS مرة أخرى في البلازما الأكسجين الخ للخضوع لنفس الدورة. إزالة الشريحة الزجاجية عند انتهاء الدورة.
- باستخدام ملاقط، قشر بعناية مرة أخرى الإطار الشريط والتقاط الفيلم PPC مع الكريستال مقشر (الشكل4C) ووضعها على ختم PDMS بحيث تقع رقاقة المطلوب على الطابع.
5. نقل رقائق من الركيزة العليا إلى الركيزة السفلي باستخدام طريقة PMMA-PVA (الشكل3e-h).
- ضع الركيزة في المرحلة السفلية من إعداد النقل. على هذه الركيزة، وتحديد موقف من رقائق المطلوب. هذه الرقاقة ستكون بلورة "القاع". أيضا، ضع الركيزة العليا (الشريحة الزجاجية من الخطوة 3.1.9) في صاحب الركيزة العليا لإعداد النقل (الشكل3e).
- باستخدام هدف التكبير المنخفض (5X)، وجلب الركيزة السفلي في التركيز ومركز تقشر المطلوب. خفض ببطء الركيزة العليا حتى يدخل عمق مجال الهدف. ضبط الموقف الجانبي والمحاذاة التناوبمن رقائق اثنين.
- استخدم هدف التكبير الأعلى (50x) واستمر في خفض الركيزة العليا مع ضبط محاذاة الرقاقة. خفض الركيزة العليا حتى تقشر أعلى اتصالات تماما رقاقة أسفل. الاتصال ملحوظ من خلال تغيير مفاجئ في اللون.
- تسخين الركيزة السفلية إلى 75 درجة مئوية للتصاق أفضل من PMMA إلى الركيزة السفلية. سيتم فصل PMMA من الشريحة الزجاجية (الشكل3f).
- تنظيف الركيزة السفلية بعد الخطوة 2.3 لإزالة الفيلم PMMA (الشكل3G-h).
6. نقل رقائق من الركيزة العليا إلى الركيزة السفلي باستخدام طريقة ختم (الشكل4D-f).
- ضع الركيزة في المرحلة السفلية من إعداد النقل. على هذه الركيزة، وتحديد موقف من رقائق المطلوب. هذه الرقاقة ستكون بلورة "القاع". أيضا، ضع الركيزة العليا (الشريحة الزجاجية مع PDMS من الخطوة 4.2.5-4.2.6) في حامل الركيزة العليا لإعداد النقل (الشكل4d).
- قم بتسخين الركيزة السفلية إلى 100 درجة مئوية ثم اتبع الخطوات 5.2-5.4 لمحاذاة وإحضار الكريستال العلوي مع تقشر القاع (الشكل4e).
- مرة واحدة يتم الاتصال الكامل بين رقائق اثنين (الشكل4E)،ورفع ببطء الركيزة العليا. وهذا يؤدي إلى إسقاط من رقائق أعلى من الطابع إلى الركيزة السفلى (الشكل4f).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
لتوضيح نتائج وفعالية الإجراء لدينا نقدم سلسلة من أكوام الزاوية التي تسيطر عليها منثنائي كبريتيد الرينيوم (ReS 2) بلورات رقيقة. وللتأكيد على أن الطريقة الموصوفة يمكن تطبيقها أيضا على طبقات رقيقة من الناحية الذرية، فإننا نمثلأيضا على بناء طبقتين أحاديتين ملتويتين نسبيا من ثنائي كبريتيد الموليبدينوم (وزارة الدفاع 2).
لإظهار قدرات المحاذاة الزاويّة لإعداد النقل نستخدم ثنائي كبريتيدالرينيوم (ReS 2). بسبب هيكلها شعرية غير متساوي ة في الطائرة، وهذا الكريستال يقشر ميكانيكيا كما قضبان ممدود مع حواف محددة جيدا23،24. وهذا يجعلها مرشحمثالي لمظاهرة المحاذاة الزاويّة. باستخدام طريقة ختم PDMS الموضحة في البروتوكول، نقلنا "أعلى" ReS2 الكريستال من الطابع على الركيزة السيليكون مع مقشر سابقا "أسفل" ReS2. في كل مرة كنا نهدف إلى محاذاة الحواف في زاوية محددة. توظيف المكون الزاوي من الإعداد نقل، وضعت "أعلى" ReS2 رقاقة بحيث سيتم الملتوية من قبل زاوية محددة المطلوب فيما يتعلق "أسفل" بالفعل ReS2.
ويبين الشكل 5 مثالاً على عملية نقل حيث تم وضع رقاقة أعلى من ReS2 على رقاقة ReS2 السفلية بزاوية نسبية مقصودة تبلغ 75 درجة. وترد الميكروغرافيا البصرية للبلورات السفلية والعليا في الشكل ينوب 5أ والشكل 5ب على التوالي. باستخدام أسلوب ختم PDMS الموضحة في البروتوكول، تم تصنيع مكدس وتظهر الكريستال ة جديدة الناتجة في الشكل 5c. تم استخدام الفحص المجهري للقوة الذرية (AFM) لتصوير المكدس في الشكل 5d; وهذا يدل على أن زاوية تطور بين رقائق أعلى وأسفل قياس 74.6 درجة ± 0.1 درجة (يعني ± SD). تم حساب شريط الخطأ من عدم اليقين في تحديد حواف ReS2 بدقة في الميكروجراف. ولمواصلة عرض الدقة الزاوية لإعداد النقل، كررنا هذه العملية لعدة عينات أخرى ذات زوايا نسبية مقصودة تتراوح بين 15 درجة إلى 90 درجة بزيادات قدرها 15 درجة (الشكل6).
باستخدام الإجراء PMMA-PVA كما هو موضح في البروتوكول، يتم استخدام إعداد النقل بنجاح لإنشاء بنية تتكون من اثنينمن رقائق أحادية الطبقة من ثنائي كبريتيد الموليبدينوم (وزارة الصحة 2). يتم تقشير الطبقات الأحادية الفردية على PMMA (الشكل7a)وSi/SiO2 على التوالي (الشكل7b). لدينا نتائج إجراء نقل في الهيكل المعروض في ميكروجراف البصرية في الشكل 7c. ويتميز مورفولوجيا كذلك من قبل مجهرية القوة الذرية، مما يؤكد سمك والموقف النسبي من مكدسة MoS2 أحادية الطبقة (الشكل7D).
الشكل 1: مكونات إعداد النقل. (أ) المجهر البصري المجهز بالكاميرا وثلاثة أهداف لمسافات العمل الطويلة. (ب) المجهر مع كبار المتلاعبين التي هي قادرة على التحرك في الاتجاهات XYZ (الترجمة). (ج) كبارالمتلاعبين. (د) ذراع تشكيله مخصص الذي يثبت إلى المتلاعبين أعلى ويستخدم لعقد شريحة زجاجية (عينة أعلى). (هـ)المجهر مع المتلاعبين أسفل التي يمكن أن تتحرك في XYZ (الترجمة) و (Θal). (و) المتلاعبون القاع. (ز) حامل المرحلة السفلية العازلة للحرارة المخصصة (يسار) الذي يرتبط مباشرة بمرحلة الدوران. يتم عرض عنصر التدفئة المسطحة التي يتم التحكم فيها درجة الحرارة على اليمين. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2: لوحة أمامية لبرامج الأجهزة مسؤولة عن التحكم في المتلاعبين. وتنقسم اللوحة الأمامية إلى قسمين. يتحكم المقطع الأيسر في المرحلة السفلية بينما يتحكم القسم الأيمن في المتلاعبين العلويين. يمكن للمستخدم نقل المتلاعبين بشكل فردي أو في وقت واحد، وقراءة موقف كل متلاعب، وحفظ المواقف، وضبط سرعة المتلاعبين، والتركيز تلقائيا. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 3: إجراء إعداد ونقل الركيزة PMMA-PVA. (أ) وعارية Si/SiO2 الركيزة هو أول تدور المغلفة مع PVA تليها PMMA. (ب) يتم وضع إطار الشريط على الركيزة لعقد باستمرار البوليمر أثناء التقشير الميكانيكي. (ج) يتم تقشير إطار الشريط مرة أخرى لالتقاط طبقة PMMA مع الكريستال مقشر. (د) يتم عكس إطار الشريط ووضعه على دعم تشكيله متبوعاً بالتفتيش تحت المجهر البصري. يتم وضع غسالة على فيلم البوليمر بحيث يحيط تقشر المطلوب. (هـ)يتم الالتزام بشريحة زجاجية إلى إطار الشريط ويتم وضعها في أعلى المتلاعب من إعداد النقل. يتم وضع الركيزة المعدة سابقا مع الكريستال مقشر على المرحلة السفلى. (و) يتم محاذاة رقائق أعلى وأسفل وجلبها في اتصال. من خلال تسخين المرحلة السفلى إلى 75 درجة مئوية، وPMMA يفصل من الشريحة الزجاجية ترك (ز) رقائق أعلى، والفيلم PMMA وغسالة على الركيزة السفلي. (ح) تتم إزالة الغسالة ويتم غسل PMMA بعيدا مما أدى إلى هيكل غير متجانس. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 4: إجراء إعداد ونقل ختم نظام إدارة خدمات الشرطة. (أ) وعارية Si/SiO2 الركيزة تدور المغلفة مع PPC. (ب) يتم وضع إطار الشريط على الركيزة لعقد باستمرار البوليمر أثناء التقشير الميكانيكي. (ج) يتم تقشير إطار الشريط مرة أخرى لالتقاط طبقة PPC مع الكريستال مقشر. (د) يتم وضع الشريحة الزجاجية في المتلاعب العلوي لإعداد النقل. يتم وضع الركيزة المعدة سابقا مع الكريستال مقشر على المرحلة السفلى وتسخينها إلى 100 درجة مئوية. (هـ)يتم محاذاة رقائق أعلى وأسفل وجلبها في اتصال. (و) في 100 درجة مئوية، يمكننا رفع ببطء المرحلة العليا مما يؤدي إلى إسقاط من رقاقة من الطابع إلى الركيزة السفلى. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 5: ReS2 رقائق نقل مع زاوية نسبية من 75 درجة. مجهرية بصرية من (أ) كريستال ReS2 مقشر ميكانيكيا على الركيزة Si / SiO2 ، (ب) وReS2 الكريستال مقشر ميكانيكيا على الركيزة Si / SiO2/ PPC ، (ج) الناتجة هيكل بعد نقل. (د) خريطة طبوغرافية للهيكل النهائي للهيكل النهائي المقابل للمنطقة المربعة في (ج). الزاوية المقاسة بين رقائق ReS2 هي 74.6 درجة ± 0.1 درجة. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 6: ReS2 رقائق نقلها في زوايا نسبية محددة. (أ-و)ميكروغرافيا بصرية من رقائق ReS2 المنقولة بقصد تشكيل زوايا تتراوح بين 15 درجة إلى 90 درجة في زيادات 15 درجة. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 7: الملتوية MoS2 ثنائية. الميكروغرافيا البصرية من (أ) أعلى MoS2 رقاقة على فيلم PMMA ، (ب) أسفل وزارة الصحة2 رقاقة على الركيزة Si / SiO2 ، (ج) والملتوية MoS2 هيكل. جميع القضبان مقياس في الصور البصرية قياس 5 ميكرومتر. (د) صورة AFM للهيكل الملتوية MoS2 مع ملف تعريف خط (داخلي) على طول الاتجاه المشار إليه من قبل خط متقطع أسود. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
يوفر إعداد النقل المنزلي المعروض هنا طريقة لبناء مواد ذات طبقات جديدة مع التحكم الجانبي والتناوبي على حد سواء. بالمقارنة مع الحلول الأخرى الموصوفة في الأدب10،25، نظامنا لا يتطلب البنية التحتية المعقدة ، لكنه يحقق هدف المحاذاة التي تسيطر عليها من بلورات 2D.
الخطوة الأكثر أهمية في الإجراء هو أن محاذاة ووضع الكريستال الأعلى في اتصال مع أسفل واحد. الاهتزازات يمكن أن تكون سببا لمحاذاة فاشلة، وبالتالي، يجب على المرء تقليل تأثيرها. وفي هذا الصدد، فإن ميزة الإعداد "الخالي من اليدين" المعروضة هنا هي أن المستخدم لا يخاطر بإدخال الاهتزازات الناجمة عن المعالجة اليدوية للمتلاعبين. ويمكن تحقيق المزيد من التحسينات عن طريق وضع الإعداد في بيئة مع الاهتزازات أقل أو على طاولة مجهزة آليات التخميد الاهتزاز.
كما المحاذاة التناوب أصبحت معلمة أكثر وأكثر أهمية للنظر عند إنشاء فان دير Waals الهياكل غير المتجانسة، والقدرة التناوبية من هذا الإعداد نقل هي واحدة من نقاط قوتها. حقيقة أن المجهر البصري محدود في حل حواف كل من بلورات يمثل الحد الرئيسي في دقة المحاذاة.
ليست كل المواد 2D خاملة في الهواء. ومن المعروف أن بلورات مثل الفوسفور الأسود (BP)26 أو ثلاثي يوديد الكروم (CrI3)27،28 تتحلل عند التعرض للهواء. لذلك، لإنشاء هياكل متغايرة باستخدام هذه المواد، والحفاظ على واجهة البكر، يجب أن يتم إجراء النقل في بيئة خاملة مثل داخل صندوق القفازات. لأن أجهزة النقل المعروضة هنا هي "حر اليدين"، فإنه يمكن تشغيلها في صندوق القفازات حيث يمكن استخدام هذه المواد الخاملة.
وأخيراً، فإن طريقة التراص المعروضة هنا يمكن أن تكون أوسع نطاقاً ويمكن توسيعها لتشمل الحالات التي تحتاج فيها بلورتان أو بلورة والركيزة إلى المواءمة على وجه التحديد أفقياً وتناوباً.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
وليس لدى أصحاب البلاغ ما يكشفون عنه. وليس للمؤلفين مصالح مالية متنافسة.
Acknowledgments
يقر المؤلفون بتمويل من جامعة أوتاوا وNSERC ديسكفري منحة RGPIN-2016-06717 وNSERC SPG QC2DM.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 5X objective lens | Nikon Metrology | MUE12050 | 23.5 mm working distance and 0.15 numerical aperture |
| 50X objective lens | Nikon Metrology | MUE21500 | 19 mm working distance and 0.4 numerical aperture |
| 100X objective lens | Nikon Metrology | MUE21900 | 4.5 mm working distance and 0.8 numerical aperture |
| Acetone | Sigma-Aldrich | 270725 | Purity ≥99.90% |
| Adhesive tape | Ultron Systems, Inc. | ||
| Anisole | MicroChem | ||
| Atomic force microscope | Bruker | Dimension Icon | We typicall use the ScanAsyst mode |
| Bottom stage rotation manipulator | Zaber Technologies | X-RSW60A-PTB2 | 360° travel with step size of 4.091 μrad |
| Bottom stage X manipulator | Zaber Technologies | X-LSM025A-PTB2 | 25 mm travel with step size of 47.625 nm |
| Bottom stage Y manipulator | Zaber Technologies | X-LSM025A-PTB2 | 25 mm travel with step size of 47.625 nm |
| Bottom stage Z manipulator | Zaber Technologies | X-VSR40A-KX14A | 40 mm travel with step size of 95.25 nm |
| Isopropanol | Sigma-Aldrich | 563935 | Purity 99.999% |
| LabVIEW software | National Instruments | ||
| Macor | McMaster-Carr | 8489K238 | |
| Microscope camera | Zeiss | 426555-0000-000 | 5 megapixel, 47 fps live frame rate, exposure time of 100 μs - 2 s, color camera |
| Molybdenum disulfide (MoS2) | HQ Graphene | ||
| Optical breadboard | Thorlabs, Inc. | MB4545/M | |
| Optical microscope | Nikon Metrology | LV150N | |
| Oxygen plasma etcher | Plasma Etch, Inc. | PE-50 | |
| PDMS stamp | Gel-Pak | PF-20-X4 | |
| PMMA 950 A6 | MichroChem Corp. | M230006 0500L1GL | |
| Polypropylene carbonate | Sigma-Aldrich | 389021-100g | |
| PVA Partall #10 | Composites Canada | ||
| Rhenium disulfide (ReS2) | HQ Graphene | ||
| Si/SiO2 substrate | Nova Electronics Materials | HS39626-OX | |
| Spin coater | Laurell Technologies | WS-650-23 | |
| Temperature controller | Auber Instruments | SYL-23X2-24 | Controls the temperature of the bottom stage via a J type thermocouple |
| Top stage controller unit | Mechonics | CF.030.0003 | |
| Top stage X manipulator | Mechonics | MS.030.1800 | 18 mm travel with step size of 11 nm |
| Top stage Y manipulator | Mechonics | MS.030.1800 | 18 mm travel with step size of 11 nm |
| Top stage Z manipulator | Mechonics | MS.030.3000 | 30 mm travel with step size of 11 nm |
| Ultrasonic bath | Elma Schmidbauer GmbH | Elmasonic P 30 H |
References
- Novoselov, K. S., et al. Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films. Science. 306 (5696), 666 (2004).
- Novoselov, K. S., et al. Two-dimensional atomic crystals. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 102 (30), 10451 (2005).
- Zhang, Y., Tan, Y. -W., Stormer, H. L., Kim, P. Experimental observation of the quantum Hall effect and Berry's phase in graphene. Nature. 438, Available from: https://www.nature.com/articles/nature04235#supplementary-information 201 (2005).
- Geim, A. K., Van Grigorieva, I. V. Van der Waals heterostructures. Nature. 499, 419 (2013).
- Song, J. C. W., Gabor, N. M. Electron quantum metamaterials in van der Waals heterostructures. Nature Nanotechnology. 13 (11), 986-993 (2018).
- Jin, C., et al. Ultrafast dynamics in van der Waals heterostructures. Nature Nanotechnology. 13 (11), 994-1003 (2018).
- Rivera, P., et al. Interlayer valley excitons in heterobilayers of transition metal dichalcogenides. Nature Nanotechnology. 13 (11), 1004-1015 (2018).
- Lu, C. -P., et al. Local, global, and nonlinear screening in twisted double-layer graphene. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. , 201606278 (2016).
- Luican-Mayer, A., Li, G., Andrei, E. Y. Atomic scale characterization of mismatched graphene layers. Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena. 219, 92-98 (2017).
- Frisenda, R., et al. Recent progress in the assembly of nanodevices and van der Waals heterostructures by deterministic placement of 2D materials. Chemical Society Reviews. 47 (1), 53-68 (2018).
- Ribeiro-Palau, R., et al. Twistable electronics with dynamically rotatable heterostructures. Science. 361 (6403), 690-693 (2018).
- Kim, K., et al. van der Waals Heterostructures with High Accuracy Rotational Alignment. Nano Letters. 16 (3), 1989-1995 (2016).
- Cao, Y., et al. Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices. Nature. 556 (7699), 43 (2018).
- Luican, A., et al. Single-layer behavior and its breakdown in twisted graphene layers. Physical review letters. 106 (12), 126802 (2011).
- Li, G., et al. Observation of Van Hove singularities in twisted graphene layers. Nature Physics. 6 (2), 109 (2010).
- Castellanos-Gomez, A., van der Zant, H. S. J., Steele, G. A. Folded MoS2 layers with reduced interlayer coupling. Nano Research. 7 (4), 572-578 (2014).
- van der Zande, A. M., et al. Tailoring the Electronic Structure in Bilayer Molybdenum Disulfide via Interlayer Twist. Nano Letters. 14 (7), 3869-3875 (2014).
- Huang, S., et al. Probing the Interlayer Coupling of Twisted Bilayer MoS2 Using Photoluminescence Spectroscopy. Nano Letters. 14 (10), 5500-5508 (2014).
- Liu, K., et al. Evolution of interlayer coupling in twisted molybdenum disulfide bilayers. Nature Communications. 5, Available from: https://www.nature.com/articles/ncomms5966#supplementary-information 4966 (2014).
- Cao, Y., et al. Correlated insulator behaviour at half-filling in magic-angle graphene superlattices. Nature. 556, 80 (2018).
- Yankowitz, M., et al. Tuning superconductivity in twisted bilayer graphene. , Available from: https://arxiv.org/abs/1808.07865 (2018).
- Blake, P., et al. Making graphene visible. Applied Physics Letters. 91 (6), 063124 (2007).
- Lin, Y. -C., et al. Single-Layer ReS2: Two-Dimensional Semiconductor with Tunable In-Plane Anisotropy. ACS Nano. 9 (11), 11249-11257 (2015).
- Chenet, D. A., et al. In-Plane Anisotropy in Mono- and Few-Layer ReS2 Probed by Raman Spectroscopy and Scanning Transmission Electron Microscopy. Nano Letters. 15 (9), 5667-5672 (2015).
- Masubuchi, S., et al. Autonomous robotic searching and assembly of two-dimensional crystals to build van der Waals superlattices. Nature Communications. 9 (1), 1413 (2018).
- Ling, X., Wang, H., Huang, S., Xia, F., Dresselhaus, M. S. The renaissance of black phosphorus. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 112 (15), 4523-4530 (2015).
- Huang, B., et al. Layer-dependent ferromagnetism in a van der Waals crystal down to the monolayer limit. Nature. 546, 270 (2017).
- Kim, H. H., et al. One Million Percent Tunnel Magnetoresistance in a Magnetic van der Waals Heterostructure. Nano Letters. 18 (8), 4885-4890 (2018).
