Fabricera van der Waals Heterostructures med exakt rotations justering
Summary
I detta arbete beskriver vi en teknik som används för att skapa nya kristaller (van der Waals heterostructures) genom att stapla ultratunna skiktade 2D-material med exakt kontroll över position och relativ orientering.
Abstract
I detta arbete beskriver vi en teknik för att skapa nya kristaller (van der Waals heterostructures) genom att stapla distinkta ultratunna lager 2D-material. Vi visar inte bara lateral kontroll men, viktigare, också kontroll över vinkel anpassningen av intilliggande skikt. Kärnan i tekniken representeras av en hem-byggd överförings inställning som tillåter användaren att kontrollera placeringen av de enskilda kristallerna inblandade i överföringen. Detta uppnås med sub-mikrometer (translationell) och sub-grad (vinkel) precision. Före stapling dem tillsammans, isolerade kristaller är individuellt manipuleras av skräddarsydda rörliga stadier som styrs av en programmerad programvara gränssnitt. Dessutom, eftersom hela överföringen setup är datorstyrd, kan användaren på distans skapa exakta heterostrukturer utan att komma i direkt kontakt med överföringen setup, märkning denna teknik som “hands-free”. Förutom att presentera överföring set-up, beskriver vi också två tekniker för att förbereda kristaller som därefter staplas.
Introduction
Forskning inom det spirande området av tvådimensionella (2D) material började efter att forskarna utvecklat en teknik som möjliggjorde isolering av grafen1,2,3 (ett atomically Plant ark av kolatomer) från Grafit. Grafen är medlem i en större klass av 2D-material i lager, även kallat van der Waals material eller kristaller. De har starka kovalenta intralayer bindning och svaga van der Waals mellanlagret koppling. Därför kan tekniken för att isolera grafen från grafit också appliceras på andra 2D-material där man kan bryta de svaga mellanlagret-obligationerna och isolera enstaka skikt. En viktig utveckling på området var demonstrationen att precis som Van der Waals obligationer som håller angränsande skikt av tvådimensionella material tillsammans kan brytas, kan de också sättas tillbaka tillsammans2,4. Därför kan kristaller av 2D-material skapas genom att controllably stapla ihop skikt av 2D-material med distinkta egenskaper. Detta sporrade ett stort intresse, eftersom material som tidigare obefintlig i naturen kan skapas med målet att antingen avslöja tidigare otillgängliga fysikaliska fenomen4,5,6,7 ,8,9 eller utveckla överlägsna enheter för tekniska tillämpningar. Därför har exakt kontroll över stapling 2D-material blivit ett av de viktigaste målen i forskningsfältet10,11,12.
I synnerhet visade sig twist vinkeln mellan intilliggande skikt i van der Waals Halvledareheterostructures vara en viktig parameter för att kontrollera materialegenskaper13. Till exempel, vid vissa vinklar, kan införandet av en relativ vridning mellan intilliggande skikt effektivt elektroniskt frikoppla de två lagren. Detta studerades både i grafen14,15 as well as i övergång belägger med metall dichalcogenides16,17,18,19. På senare tid, det var förvånansvärt funnit att det också kan förändra tillståndet i fråga om dessa material. Upptäckten att lipidens grafen inriktad på en “magisk vinkel” beter sig som en mott isolator vid låga temperaturer och även en supraledare när elektrontätheten är korrekt trimmad har väckt stort intresse och ett förverkligande av vikten av den vinkelkontroll När fabricera lager van der Waals Halvledareheterostructures13,20,21.
Motiveras av de vetenskapliga möjligheter som öppnats upp av idén att trimma egenskaperna hos nya van der Waals material genom att justera den relativa orienteringen mellan lagren, presenterar vi ett hem-byggda instrument tillsammans med förfarandet för att skapa sådana strukturer med vinkelkontroll.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den hembyggda transfer setup presenteras här erbjuder en metod för att bygga nya lager material med både lateral och rotationskontroll. Jämfört med andra lösningar som beskrivs i litteraturen10,25, vårt system kräver inte komplex infrastruktur, men det uppnår målet med kontrollerad anpassning av 2D-kristaller.
Det mest kritiska steget i förfarandet är att justera och placera den översta kristallen i kontakt med botten en. …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna erkänner finansiering från University of Ottawa och NSERC Discovery Grant RGPIN-2016-06717 och NSERC SPG QC2DM.
Materials
| 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, 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, 4966 (2014).
- Cao, Y., et al. Correlated insulator behaviour at half-filling in magic-angle graphene superlattices. Nature. 556, 80 (2018).
- . 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).
