Summary
Bu çalışmanın içinde, yeni kristaller (Van der Waals heterostructures) oluşturmak için kullanılan bir tekniği, pozisyon ve göreli oryantasyon üzerinde hassas kontrol sağlayan ultra ince katmanlı 2D malzemeleri istifleyerek tarif ediyoruz.
Abstract
Bu çalışmanın içinde, farklı Ultra ince katmanlı 2D materyalleri istifleyerek yeni kristaller (Van der Waals heterostructures) oluşturmak için bir teknik açıklanmaktadır. Biz sadece lateral kontrolü değil, daha da önemlisi, bitişik katmanların açısal hizalamasını da kontrol ediyoruz. Tekniğin çekirdeği, kullanıcının transferde yer alan bireysel kristallerin konumunu kontrol etmesini sağlayan bir ev yapılı transfer kurulumu ile temsil edilir. Bu alt mikrometre (translational) ve alt derece (açısal) hassasiyet ile elde edilir. Onları birlikte istiflemeden önce, izole kristaller, programlanmış bir yazılım arayüzü ile kontrol edilen özel tasarımlı hareketli aşamalar tarafından ayrı olarak yönetilmektedir. Ayrıca, tüm transfer kurulum bilgisayar kontrollü olduğundan, Kullanıcı uzaktan doğru heterostructure alanında çalışmaktadır transfer kurulum ile doğrudan temas olmadan, bu tekniği "Hands-Free" olarak etiketleme oluşturmak olabilir. Transfer kurma hizmeti sunmanın yanı sıra, daha sonra yığılmış kristalleri hazırlamak için iki tekniği de tarif ediyoruz.
Introduction
İki boyutlu (2D) malzemelerin gelişen alanında araştırma araştırmacılar grafen1,2,3 (bir atomically düz sac karbon atomları) yalıtım etkin bir teknik geliştirdi sonra başladı Grafit. Grafen, aynı zamanda Van der Waals malzeme veya kristaller olarak adlandırılan katmanlı 2D malzemelerin daha büyük bir sınıfın bir üyesidir. Onlar güçlü kovalent intralayer bağ ve zayıf Van der Waals interlayer bağlantı var. Bu nedenle, grafen grafen izolasyon tekniği de bir zayıf interlayer tahvil kırabilir ve tek katmanları izole diğer 2D malzemelere uygulanabilir. Alandaki bir anahtar geliştirme, aynı zamanda iki boyutlu malzemelerin bitişik katmanları tutan Van der Waals tahvil kırık olabilir, onlar da tekrar birlikte2,4koymak olabilir gösteri oldu. Bu nedenle, 2D malzemelerin kristalleri, farklı özelliklere sahip 2D malzemelerin katmanlarını kontrol ederek birleştirerek oluşturulabilir. Bu ilgi büyük bir anlaşma, daha önce doğada varolmayan malzemeler ya da önceden erişilemeyen fiziksel fenomen4,5,6,7 açığa amacı ile oluşturulabilir ,8,9 veya teknoloji uygulamaları için üstün cihazlar geliştirme. Bu nedenle, 2D malzeme istifleme üzerinde hassas kontrol olması araştırma alanında ana hedefleri biri haline gelmiştir10,11,12.
Özellikle, Van der Waals heterostructure alanında çalışmaktadır bitişik katmanları arasındaki büküm açısı malzeme özelliklerini kontrol etmek için önemli bir parametre olarak gösterildi13. Örneğin, bazı açılarda, bitişik katmanlar arasında göreli bir bükülme giriş etkili bir şekilde iki katmanı elektronik olarak ayrıştırabilir. Bu hem grafen14,15 yanı sıra geçiş metal dichalcogenides16,17,18,19incelenmiştir. Daha Geçenlerde, bu şaşırtıcı da bu malzemelerin durumun durumunu değiştirebilirsiniz bulundu. Bu fosfolipid grafen bir "sihirli açı" odaklı keşif düşük sıcaklıklarda bir Mott İzolatör olarak davranır ve elektron yoğunluğu düzgün ayarlı olduğunda bile bir süperiletken büyük ilgi ve açısal kontrol önemini bir gerçekleşmesine yol açtı katmanlı Van der Waals heterostructure alanında çalışmaktadır imal ederken13,20,21.
Motivasyon bilimsel fırsatlar tarafından yeni Van der Waals malzemelerin özelliklerini ayarlama fikri ile katmanlar arasında göreli oryantasyon ayarlayarak açıldı, biz bu tür yapıları oluşturmak için prosedür ile birlikte bir ev inşa enstrüman mevcut açısal kontrol ile.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. transfer prosedürü için enstrümantasyon
- Aktarım sürecini görselleştirebilmek için, parlak alan aydınlatması altında çalışabilir optik mikroskop kullanın. 2D kristallerin tipik boyutları 1 – 500 μm2olduğundan, mikroskop, 5x, 50x ve 100x uzun çalışma mesafesi hedefleri ile donatın. Mikroskop da bir bilgisayara bağlanan bir kamera ile donatılmalıdır (Şekil 1a).
- Yığılmış olmak üzere olan iki kristallerin konumunu ayrı olarak kontrol etmek için ayrı manipulators kullanın. Transfer prosedürü sırasında titreşimleri en aza indirmek için bir bilgisayar tarafından programlanabilir ve kontrol edilebilir manipulators kullanın.
Not: üst substrat tutucusunun hareketinden sorumlu manipulatörler (Şekil 1B-c) sadece X, Y ve Z yönünde hareket etmelidir. Önemlisi, alt substrat tutucu kontrol etmek için sorumlu manipulators (Şekil 1e-f) Ayrıca herhangi bir açı Θ tarafından döndürmek edebiliyoruz (translasyonel ve rotasyonel hareket). - Numuneleri üst aşama manipulatörlerine takmak için, cam slaytı destekleyebilen özel örnek tutucular imal etmek; üst kristal cam kaydırağa yerleştirilecektir (Şekil 1D).
- Alt manipulators için, bir işlenmiş cam-seramik tutucu (Şekil 1G) düz bir ısıtma elemanı yerleştirin ve dönen aşamaya yapıştırmak. Isıtma elemanını bir güç kaynağına ve bir sıcaklık kumandasını bağlayın.
- Denetleyicilerin, Manipulatörlerin göreli konumunu kontrol etmek için bir enstrümantasyon yazılımı (örn., LabVIEW) ile programlamak (Şekil 2).
- Gerekli hareketleri gerçekleştirmek için, yazılımı aşağıdaki özelliklerle programlamak için: tek başına veya aynı anda manipulators taşımak; okuma, kaydetme ve her manipulator konumunu almak; kolayca manipulators hızını ayarlamak ve otomatik odaklama alt aşama. Örnek ve lens arasındaki olası çarpışmaları önlemek için yapı güvenliği özellikleri.
2.2D kristalin mekanik Eksfoliasyon.
- Mekanik Eksfoliasyon prosedürü için bir substrat hazırlayın.
- 1 cm x 1 cm 'lik silikon/silikon oksit kareler (sı/SIO2) gofret, aseton ile dolu bir pancarı içine koyun ve 10 dakika boyunca ultrasonik temizleyici içine kabı yerleştirin.
- Bireysel olarak cımbız ile gofenler çıkarın ve izopropanol (IPA) ile onları yıkayın sonra bir nitrojen (N2) tabanca ile kurutun.
Not: aseton ve ıPA ile çalışırken, uygun PPE takarken bir duman kaputu altında bunu yapmak için önerilir.
- Kristali substrat üzerine mekanik olarak peeling yapın.
- Cımbız kullanarak, dikkatle kristal bir kısmını kaldırmak ve yarıiletken dereceli yapışkan bant bir parça üzerine yerleştirin.
- Yapışkan bant ikinci bir parça alın ve sıkıca kristal ile ilk bant karşı basın sonra bant iki parça uzak soyma. Birkaç kez tekrarlayan sonra, kristalin çok daha ince parçaları kasette bulunacaktır.
- İnce 2D kristalleri ile yapışkan bandı, kristalin substrat ile doğrudan temas halinde olduğu ve substrat üzerinde peeling gevreği bırakmak için bandı uzaklaştıran, taze temizlenmiş bir substrat üzerine bastırın.
- Herhangi bir kalıntı yapıştırıcı kaldırmak için, 10 dakika boyunca aseton ile dolu bir kabı içinde elde edilen numuneleri (2D kristaller ile yüzeylerine ekplenir) yerleştirin. Cımbız kullanarak örnekleri çıkarın, IPA ile durulayın, ve bir N2 gun ile kuru.
- Eksfoliasyonlu gevreği incelemek için optik mikroskop kullanın. Yüzey22ile pul optik kontrast değerlendirerek kalınlıklarını tahmin. Yüzey morfolojisi daha iyi ölçmek ve pul kalınlığı ölçmek için ( malzeme tablosunabakın) mod dokunarak atomik kuvvet mikroskopisi (AFM) kullanarak pul görüntü.
3. Van der Waals heterostructure alanında çalışmaktadır (üst substrat hazırlama) imalatı için PMMA-PVA yöntemi.
- Bir cam kaydırağa bağlı Poly (Metil metakrilat) (PMMA) filmine (Şekil 3A-d) yapıştırarak kristal ekilerek transfer prosedürü için üst substrat hazırlayın.
- 2,1 adımda açıklanan yordamı izleyin. temiz bir substrat elde etmek için. Aracın kullanım kılavuzunda açıklanan protokolü izleyerek 1 dakika boyunca 3.000 rpm 'de substrat üzerinde Polivinil alkol (PVA) tabakası çevirin.
Not: spin coater kullanırken, uygun PPE giyirken bir duman kaputu altında bunu yapmak için önerilir. - Yüzeyi doğrudan sıcak bir plakaya yerleştirin ve 75 °C ' de 5 dakika boyunca havada ortaya çıkartın.
- Adım 3.1.1 ' a benzer bir prosedür takip ederek adım 3.1.2 alt substrat üzerinde PMMA tabakası spin kat, ama bu kez 1.500 rpm bir açısal hızda iplik parametreleri ayarlamak 1 dakika (Şekil 3A).
- Yüzeyi doğrudan sıcak bir plakaya yerleştirin ve 75 °C ' de 5 dakika boyunca havada ortaya çıkartın.
- Bir bant çerçevesi oluşturmak için kenar boyunca sıcak plaka ve yer parçaları yapıştırıcı bant substrat çıkarın. Daha sonra, adım 2,2 aşağıdaki şekilde PMMA yüzeyinde bir 2D kristalini mekanik olarak peeling yapın (Şekil 3B).
- PMMA 'yı, bant çerçevesini yavaşça soyarak PVA 'dan ayırmak için keskin cımbız kullanın. PMMA tabakası ve Peeling kristal bant çerçevesi ile birlikte PVA ve si/SiO2 substrat (Şekil 3c) ayıracaktır.
- Bant çerçevesini tersine çevirin ve kristalin aşağı doğru bakacak şekilde işlenmiş bir desteğe yerleştirin (şekil 3D).
Not: Bu destek, PMMA üzerine peeling incelemek ve istenilen kalınlık ve geometri ile bir pul tanımlamak için bir optik mikroskop altında teyp çerçevesi yerleştirmek için kullanıcı sağlar. - Keskin cımbız ve optik mikroskop kullanarak küçük bir çamaşır makinesi (0,5 mm iç yarıçapını) tam olarak PMMA filmine yerleştirin (şekil 3D).
- Bir cam slaytı aşağı kaydırın ve maruz kalan bandın üzerine basarak polimerle uyur.
- 2,1 adımda açıklanan yordamı izleyin. temiz bir substrat elde etmek için. Aracın kullanım kılavuzunda açıklanan protokolü izleyerek 1 dakika boyunca 3.000 rpm 'de substrat üzerinde Polivinil alkol (PVA) tabakası çevirin.
4. POLYDİMETHYLSİLOXANE (PDMS) Van der Waals heterostructure alanında çalışmaktadır (üst substrat hazırlama) imalatı için yöntem damgalama.
- Hazırlamak bir polipropilen karbonat (PPC) on yedi parça anisole ile üç parça PPC kristal karıştırma spin kaplama için çözüm. Bu, yaklaşık 8 h veya çözüm homojen olana kadar bir karıştırıcı içinde çözüm karışımı vererek yapılır.
- Bir PPC film Kristal Peeling ve daha sonra bir cam slayt (Şekil 4A-d) bağlı bir PDMS damga yerleştirerek transfer prosedürü için üst substrat hazırlayın.
- 2,1 adımda yordamı izleyin. temiz bir substrat elde etmek için. Spin Coat 1 dakika (Şekil 4A) 3.000 rpm de substrat üzerinde PPC bir tabaka.
- Yüzeyi doğrudan sıcak bir plakaya yerleştirin ve 75 °C ' de 5 dakika boyunca havada ortaya çıkartın.
- Bir bant çerçevesi oluşturmak için kenar boyunca sıcak plaka ve yer parçaları yapıştırıcı bant substrat çıkarın.
- Mekanik olarak adım 2,2 takip ederek PPC kaplamalı substrat üzerinde 2D katmanlı Kristal Peeling ve istenilen kalınlık ve geometri ile bir pul tanımlamak için optik mikroskop kullanın. (Şekil 4b).
- 2 mm x 2 mm kare bir PDMS parçası kesmek ve 50 W ve 53,3 PA 2 dakika için bir oksijen plazma etcher içine yerleştirmek için makas veya cerrahi bıçak kullanın.
- Döngüsünün sonunda, iki birlikte bağ için PDMS damga üzerinde bir cam slayt basın. Aynı döngüye geçmek için cam slayt ve PDMS damgası geri oksijen plazma etcher yerleştirin. Döngü sona erdiğinde cam slaytı çıkarın.
- Cımbız kullanarak, dikkatle bant çerçevesi geri soyma ve pul pul dökülmüş kristal ile PPC film Pick-up (Şekil 4C) ve istenen pul damga üzerinde bulunan gibi PDMS damga yerleştirin.
5. PMMA-PVA yöntemi (Şekil 3e-h) kullanarak üst substrat alt substrat için gevreği aktarma.
- Transfer kurulumunun alt aşamasına bir substrat yerleştirin. Bu substrat üzerinde, istenilen pul konumunu belirleyin. Bu pul "alt" kristal olacak. Ayrıca, üst substrat (adım 3.1.9 cam slayt) transfer ayarı üst substrat tutucusuna yerleştirin (Şekil 3e).
- Düşük büyütme amacı (5x) kullanarak, alt substrat odak içine getirmek ve merkezi istenilen pul. Hedef alan derinliğine girinceye kadar yavaşça üst substrat alt. Lateral pozisyon ve iki pul rotasyonel hizalama ayarlayın.
- Daha yüksek büyütme amacı (50x) kullanın ve pul hizalamasını ayarlarken üst substrat azaltmaya devam edin. Üst tabaka tamamen alt pul temas kadar aşağı üst substrat. Temas renk ani bir değişiklik ile belirgindir.
- PMMA 'nın alt substrat daha iyi yapışma için 75 °C alt substrat ısı. PMMA cam slayttan (Şekil 3F) ayıracaktır.
- PMMA film (Şekil 3G-h) kaldırmak için adım 2,3 aşağıdaki alt substrat temizleyin.
6. damgalama yöntemi (Şekil 4d-f) kullanarak üst substrat alt substrat için gevreği aktarma.
- Transfer kurulumunun alt aşamasına bir substrat yerleştirin. Bu substrat üzerinde, istenilen pul konumunu belirleyin. Bu pul "alt" kristal olacak. Ayrıca, üst substrat yerleştirin (adım 4.2.5 PDMS ile cam slayt – 4.2.6) transfer ayarı üst substrat tutucusuna (Şekil 4d).
- Alt substrat 100 °C ' ye ısıtın ve ardından 5.2 – 5.4 arasındaki adımları izleyerek üst kristalin alt pul ile temas etmesini yapın (Şekil 4E).
- Bir kez tam temas iki pul (Şekil 4E) arasında yapılır, yavaşça üst substrat yükseltmek. Bu, damgayı alt substrat (Şekil 4F) için üst pul bırakma-off sonuçlanır.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Prosedürlerimizin sonuçlarını ve etkinliğini göstermek için, bir dizi açı kontrollü Renyum disülfit (Res2) ince kristallerin yığınlarını sunuyoruz. Açıklanan yöntemin atomically ince katmanlara da uygulanabilir olduğunu vurgulamak için, aynı zamanda molibden disülfür iki nispeten bükülmüş monolayers yapımı örnek (MoS2).
Transfer kurulumunun açısal hizalama yeteneklerini göstermek için Renyum disülfit (Res2) kullanıyoruz. Onun içinde-Plane anizotropik kafes yapısı nedeniyle, bu kristal, iyi tanımlı kenarlar ile uzatılmış çubuklar olarak mekanik olarak ekfolatlar23,24. Bu açısal hizalama gösterisi için mükemmel bir aday yapar. Protokolde açıklanan PDMS damgalama yöntemi kullanarak, daha önce "alt" ReS2ile silikon substrat üzerine damga bir "üst" Res2 kristal transfer. Her seferinde belirli bir açıyla kenarları hizalama hedefliyoruz. Transfer Kurulumu açısal bileşeni istihdam, "üst" ReS2 Flake zaten mevcut "alt" Res2ile ilgili olarak istenilen açı ile bükülmüş olacağını gibi yerleştirilir.
Şekil 5 bir transfer örneği gösterir burada bir üst pul res2 yerleştirilen bir alt res2 Flake hedeflenen göreli açı ile 75 °. Alt ve üst kristallerin optik mikro grafikleri sırasıyla Şekil 5A ve Şekil 5B 'de gösterilir. Protokolde açıklanan PDMS damgalama yöntemini kullanarak bir yığın üretildi ve elde edilen yeni kristal Şekil 5c'de gösterilir. Atom kuvveti mikroskopisi (AFM) Şekil 5D 'de yığını görüntü için kullanıldı; Bu, üst ve alt pul arasındaki büküm açısını 74,6 ° ± 0,1 ° (ortalama ± SD) ölçülen gösterir. Hata çubuğu, mikrografiklerde ReS2 ' nin kenarlarını tam olarak tanımlamada belirsizlikten hesaplanmıştır. Transfer kurulumunun açısal hassasiyetini daha fazla görüntülemek için bu süreci, 15 ° ila 90 ° arasında değişen amaçlanan göreli açıları olan diğer çeşitli örneklere göre tekrarladık (Şekil 6).
Protokolde açıklandığı gibi PMMA-PVA prosedürünü kullanarak, Transfer Kurulumu başarıyla molibden disülfür iki tek tabakalı gevreği (MOS2) oluşan bir yapı oluşturmak için kullanılır. Bireysel monolayers sırasıyla PMMA (şekil 7a) ve si/Sio2 ' ye (şekil 7b) peeling yapılır. Transfer prosedürlerimiz Şekil 7c'de optik mikrograf 'da sunulan yapıda sonuçlanır. Onun morfolojisi daha da atomik kuvvet mikroskopisi ile karakterize edilir, yığılmış MOS2 Tek tabakalı kalınlığı ve göreli konumunu teyit (Şekil 7d).
Şekil 1: aktarım kurulumunun bileşenleri. (a) kamera ve üç uzun çalışma mesafesi hedefleri ile donatılmış optik mikroskop. (b) XYZ (translational) yönlerine taşınabilen üst manipulatörlerle mikroskop. (c) üst manipulators. (d) üst manipulatörlere bağlanmış ve cam kaydırağı (üst numune) tutmak için kullanılan özel işlenmiş bir kol. (e) XYZ (translational) ve Θ (rotasyonel) hareket edebilir alt manipulators ile mikroskop. (f) alt manipulators. (g) doğrudan dönen aşamaya bağlı olan özel bir termal yalıtım alt aşama tutucu (sol). Sıcaklık kontrollü düz ısıtma elemanı sağda gösterilir. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.
Şekil 2: Manipülatörlerin kontrollerinden sorumlu enstrümantasyon yazılımı ön paneli. Ön panel iki bölüme ayrılmıştır; Sağdaki bölüm üst manipulators kontrol ederken Sol bölüm alt aşama denetler. Kullanıcı, her manipulator konumunu okuma, pozisyonları kaydedin, manipulators hızını ayarlamak ve otomatik olarak odaklanmak manipulators ayrı olarak veya eşzamanlı olarak taşıyabilirsiniz. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.
Şekil 3: PMMA-PVA substrat hazırlama ve transfer prosedürü. (a) çıplak si/Sio2 substrat, ilk olarak PVA Ile kaplı, PMMA tarafından takip edilir. (b) mekanik peeling sırasında polimer basılı tutmak için substrat üzerine bir teyp çerçevesi yerleştirilir. (c) bant çerçevesi, peeling kristali Ile PMMA tabakasını almak için geri soyulmuş. (d) teyp çerçevesi ters çevrilmiştir ve bir optik mikroskop altında bir muayene tarafından izlenen bir işlenmiş destek yerleştirilir. Bir çamaşır makinesi, istenen tanesi çevreleyen gibi polimer film yerleştirilir. (e) bant çerçevesine bir cam slayt yapıştırılır ve transfer kurulumunun en üst manipülatörünün içine yerleştirilir. Daha önce hazırlanmış bir substrat ile ekfolated kristal alt aşamaya yerleştirilir. (f) üst ve alt pul hizalanır ve temas altına getirilir. 75 °C ' ye kadar alt aşamayı ısıtarak, PMMA, cam slayttan (g) üst pul, PMMA filmi ve alt substrat üzerindeki yıkayıcı bırakarak ayırır. (h) yıkayıcı kaldırılır ve PMMA bir heterostructure sonucu yıkanır. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.
Şekil 4: PDMS damgalama hazırlığı ve transfer prosedürü. (a) Bare si/Sio2 substrat PPC ile kaplanmış spin olduğunu. (b) mekanik peeling sırasında polimer basılı tutmak için substrat üzerine bir teyp çerçevesi yerleştirilir. (c) bant çerçevesi geri almak için soyulmuş-up PPC tabakası ile ekfolated kristal. (d) cam slayt transfer kurulumunun en üst manipülatörünün içine yerleştirilir. Daha önce hazırlanan bir substrat ile ekfolated kristal alt aşamaya yerleştirilir ve 100 °C ' ye ısıtılır. (e) üst ve alt pul hizalanır ve temasa getirilir. (f) 100 °c ' de, biz yavaşça alt substrat için damga gelen pul açılan sonuçları üst aşama yükseltebilirsiniz. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.
Şekil 5: ReS2 Flakes bağıl açı 75 ° ' ye aktarılır. Bir si/Sio2 substrat üzerinde mekanik olarak peeling yapan (a) bir res2 kristali, (b) bir si/SIO2/PPC substrat üzerinde mekanik olarak peeling yapan bir res2 kristal, (c) elde edilen aktardıktan sonra yapı. (d) (c) içinde kutulu alana karşılık gelen son yapının AFM topografik haritası. ReS2 Flakes arasındaki ölçülen açı 74,6 ° ± 0,1 ° ' dir. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.
Şekil 6: ReS2 Flakes belirli göreli açılarda aktarılır. (a-f) optik MİKROGRAFİ res2 flakes 15 ° artışlarla 15 ° 90 ° arasında değişen açıları şekillendirme niyeti ile transfer. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.
Şekil 7: Twisted MoS2 bilayer. Optik MİKROGRAFİ (a) üst MOS2 bir PMMA film üzerinde Flake, (b) alt MOS2 bir si/Sio2 tabaka, (c) ve bükülmüş MOS2 yapısı. Optik görüntülerde tüm ölçek çubukları 5 μm ölçüsüdür. (d) bükümlü MOS2 yapısının bir çizgi profili (inset) ile siyah kesikli çizgiyle belirtilen yönde görüntü AFM. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Burada sunulan ev yapımı transfer kurulumu, hem lateral hem de rotasyonel kontrol ile yeni katmanlı malzemeler oluşturmak için bir yöntem sunmaktadır. Literatürde açıklanan diğer çözümlerle karşılaştırıldığında10,25, sistemimiz karmaşık altyapı gerektirmez, ancak 2D kristallerin kontrollü uyum hedefini elde eder.
Prosedürün en kritik adımı, üst kristalin alt kısmına temas etmesi ve hizalamak olmasıdır. Titreşimler başarısız bir hizalama için bir neden olabilir, bu nedenle, bir etkisini en aza indirmek gerekir. Bu bağlamda, "Hands-ücretsiz" set-up avantajı burada Kullanıcı manipulators manuel elleçleme neden titreşimleri tanıtan risk vermez. Daha düşük titreşimli bir ortamda veya titreşim sönümleme mekanizmaları ile donatılmış bir masada set-up yerleştirerek daha fazla iyileştirmeler elde edilebilir.
Rotasyonel hizalama Van der Waals heterostructures oluştururken göz önünde bulundurulması gereken daha önemli bir parametre haline geliyor, bu transfer kurulum rotasyonel yeteneği onun güçlü biridir. Optik mikroskop her iki kristallerin kenarlarının çözümlenmesinde sınırlı olduğu gerçeğini hizalama hassasiyetinde sınırlama ana temsil eder.
Tüm 2D malzemeler havada inert değildir. Siyah fosfor (BP)26 veya Chromium triiodide (CRI3)27,28 gibi kristaller havaya maruz kaldıktan sonra düşmesine bilinmektedir. Bu nedenle, bu materyalleri kullanarak heteroyapılar oluşturmak ve bozulmamış arayüzü korumak için, Transfer prosedürü bir glovebox içinde gibi bir inert ortamda yer almak gerekir. Burada sunulan transfer enstrümantasyonu "eller serbest" olduğu için, bu inert malzemelerin kullanılabileceği bir glovebox içinde çalıştırılabilir.
Son olarak, burada sunulan istifleme yöntemi daha geniş uygulanabilirlik olabilir ve iki kristaller veya bir kristal ve bir substrat tam olarak yanal ve rotasyonel hizalanması gerektiğinde durumlara uzatılabilir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarların ifşa etmesi gereken hiçbir şey yok. Yazarlar hiçbir rekabet mali çıkarları var.
Acknowledgments
Yazarlar Ottawa Üniversitesi ve NSERC Discovery Grant RGPIN-2016-06717 ve NSERC SPG QC2DM fon kabul eder.
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).
