Summary
בעבודה זו אנו מתארים טכניקה המשמשת ליצירת קריסטלים חדשים (ואן דר וואלס הטרובנים) על ידי הערמה של חומרים דו-ממדיים שכבתית באולטרסאונד עם שליטה מדויקת על המיקום ועל אוריינטציה יחסית.
Abstract
בעבודה זו אנו מתארים טכניקה ליצירת גבישים חדשים (ואן דר Waals הטרובנים) על ידי הערמה חומרים דו-ממדיים שכבתית בעלי בדיקת אולטרה דק. אנו מדגימים לא רק שליטה לרוחב, אלא, חשוב, גם לשלוט על יישור זוויתי של שכבות סמוכות. ליבת הטכניקה מיוצגת על ידי התקנת העברה ביתית המאפשרת למשתמש לשלוט במיקום הקריסטלים הבודדים המעורבים בהעברה. הדבר מושג בדיוק של תת-מיקרומטר (העברה) ומידה משנית (זוויתי). לפני הערמה אותם יחד, הקריסטלים מבודדים מניפולציות באופן אינדיבידואלי על ידי שלבי הובלה מתוכננים מותאמים אישית הנשלטים על ידי ממשק תוכנה מתוכנת. יתרה מזאת, מאחר שהגדרת ההעברה כולה מבוקרת מחשב, המשתמש יכול ליצור מרחוק הטרוסקסואלים מדויקים מבלי להגיע למגע ישיר עם התקנת ההעברה, ולתייג טכניקה זו כ"ללא ידיים". בנוסף להצגת הגדרת ההעברה, אנו מתארים גם שתי טכניקות להכנת הקריסטלים המוערמות לאחר מכן.
Introduction
מחקר בשדה המתפתחת של דו מימדי (2d) חומרים החלו לאחר שחוקרים פיתחו טכניקה אשר אפשרה בידוד של גראפן1,2,3 (גיליון שטוח אטותי של אטומי פחמן) מ גרפיט. גראפן הוא חבר של מחלקה גדולה יותר של חומרים דו-ממדיים שכבתית, המכונה גם חומרים וכלי ואן דר וואלס. יש להם קשרים חזקים ומתחברים. עם מצמד שכבות של ואן דר וואלס לכן, את הטכניקה עבור בידוד גראפן מגרפיט יכול להיות גם להחיל על חומרים אחרים 2D שבו אפשר לשבור את הקשרים הבין שכבת חלש לבודד שכבות יחיד. אחד הפיתוח העיקרי בתחום היה ההפגנה כי בדיוק כמו הקשרים ואן דר waals המחזיק שכבות סמוכות של חומרים דו ממדיים יחד ניתן לשבור, הם יכולים גם להיות ביחד2,4. לכן, קריסטלים של חומרים דו-ממדיים יכולים להיווצר על-ידי פיקודית הערמה יחד של שכבות של חומרים דו-ממדיים עם מאפיינים שונים. הדבר דרבן עניין רב, כאשר החומרים שהיו קיימים בטבע בעבר יכולים להיווצר במטרה לחשוף בעבר תופעות פיזיות בלתי נגישות4,5,6,7 ,8,9 או פיתוח התקנים מעולים עבור יישומים טכנולוגיים. לכן, לאחר שליטה מדויקת על הערמה חומרים דו-ממדיים הפכה לאחת המטרות העיקריות בתחום המחקר10,11,12.
בפרט, זווית הפיתול בין השכבות הסמוכות ב-van der Waals הטרובנים הוצגה כפרמטר חשוב לשליטה בתכונות החומר13. לדוגמה, בזוויות מסוימות, המבוא של פיתול יחסי בין שכבות סמוכות יכול לזיווג בצורה אלקטרונית את שתי השכבות. זה נחקרו הן בגרפן14,15 , כמו גם במעבר מתכת dichalcogenides16,17,18,19. לאחרונה, התגלה באופן מפתיע כי הוא יכול גם לשנות את מצב החומר של חומרים אלה. התגלית כי בינה גרפית מכוונת ב "זווית קסם" מתנהג כמו בידוד מוט בטמפרטורות נמוכות ואפילו סופר מנצח כאשר צפיפות האלקטרונים מכוון כראוי הפכה עניין רב ומימוש החשיבות של השליטה זוויתי בעת בדיית שכבות ואן דר וואלס הטרובנים13,20,21.
מונע על ידי ההזדמנויות המדעיות נפתח על ידי הרעיון של כוונון המאפיינים של חומרי ואן דר Waals הרומן על ידי התאמת הכיוון היחסי בין השכבות, אנו מציגים כלי מובנה בבית יחד עם ההליך ליצור מבנים כאלה עם בקרה זוויתית.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. מכשור להליכי העברה
- כדי להמחיש את תהליך ההעברה, להשתמש במיקרוסקופ אופטי שיכול לפעול תחת תאורה בהירה בשדה. מאז הגדלים הטיפוסיים של גבישי 2d הם 1 – 500 יקרומטר2, לצייד את המיקרוסקופ עם 5x, 50x, ו 100x מטרות זמן עבודה מרחוק. המיקרוסקופ חייב להיות מצויד גם עם מצלמה המתחברת למחשב (איור 1a).
- השתמש בסימולטורי נפרדות כדי לשלוט באופן אינדיבידואלי במיקום של שני הקריסטלים העומדים להיות מוערמים. השתמש בסימולציות הניתנות לתיכנות ולשליטה על-ידי מחשב כדי למזער תנודות במהלך תהליך ההעברה.
הערה: הסימולטורים האחראים לתנועה של בעל המצע העליון (איור 1b-c) צריכים לעבור רק בכיוון X, Y ו-Z. חשוב מכך, הסימולטורים האחראים לשליטה על המצע התחתון (איור 1e-f) הם גם מסוגלים לסובב על ידי כל זווית Θ (בתנועה הטרנסלבותית והסיבוב). - כדי לחבר את הדגימות על הסימולטורים בשלב העליון, הרכיבו בעלי מדגם מותאמים אישית שיכולים לתמוך בשקופית זכוכית; הגביש העליון ימוקם על שקופית הזכוכית (איור 1d).
- לגבי הסימולטורים התחתונים, מניחים אלמנט חימום שטוח במחזיק זכוכית-קרמיקה (איור 1g) ומצרף אותו לשלב המסתובב. חבר את רכיב החימום לספק כוח ולבקר טמפרטורה.
- תכנת את הבקרים באמצעות תוכנת מיכשור (לדוגמה, LabVIEW) כדי לשלוט במיקום היחסי של הסימולטורי (איור 2).
- כדי לבצע את התנועות הנחוצות, תכנת את התוכנה באמצעות היכולות הבאות: בנפרד או במקביל להעביר את הסימולטורים; לקרוא, לשמור ולאחזר את המיקום של כל מניפולטור; בקלות להתאים את המהירות של הסימולטורים, ומיקוד אוטומטי בשלב התחתון. בניית תכונות בטיחות כדי למנוע התנגשויות אפשריות בין המדגם לבין העדשה.
2. קילוף מכני של גביש דו-ממדי.
- הכינו מצע לטיפול בקילוף מכני.
- לטבול 1 ס מ x 1 ס מ ריבועים של סיליקון/סיליקון תחמוצת (Si/SiO2) וופלים לתוך גביע מלא אצטון ולמקם את הגביע לתוך מנקה אולטראסאונד עבור 10 דקות.
- הסירו באופן אינדיבידואלי את הקונדיטוריה מהגביע עם מלקחיים ושטפו אותם בעזרת איזופנול (IPA) ולאחר מכן יבשו אותם באקדח חנקן (N2).
הערה: כאשר עובדים עם אצטון ו-IPA, הוא הציע לעשות זאת תחת מכסה המנוע תוך לבישת ה-PPE הנכון.
- מכנית לפילינג את הגביש על המצע.
- בעזרת מלקחיים, הסירו בזהירות חלק מגביש הקריסטל והניחו אותו על נייר דבק בעל כיתה מוליך למחצה.
- קח חלק שני של דבק ולחץ בחוזקה על הקלטת הראשונית עם גביש ואז לקלף את שני פיסות הקלטת. לאחר שחזר מספר פעמים, פיסות קריסטל רזות רבות ימצאו בקלטת.
- לחצו על סרט דביק עם גבישים דו-ממדיים דקים על מצע נקי טרי, כך הגביש הוא במגע ישיר עם מצע ולקלף את הקלטת כדי להשאיר פתיתי שבבי על מצע.
- כדי להסיר כל דבק שיורית, מניחים את הדגימות שנוצרו (מצעים עם גבישים דו-ממדיים הפילינג על פני השטח שלהם) בגביע מלא אצטון עבור 10 דקות. הסר את הדגימות באמצעות מספריים, לשטוף אותם עם IPA, ויבש עם אקדח N2 .
- השתמש במיקרוסקופ אופטי כדי לבחון את הפתיתים הפילינג. להעריך את העובי שלהם על ידי הערכת הניגודיות האופטית של הפתיתים עם מצע22. תמונה שבבים באמצעות מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM) במצב הקשה (לראות את הטבלה של חומרים) כדי לכמת טוב יותר את מורפולוגיה פני השטח כדי למדוד את עובי הפתיתים.
3. PMMA-PMMA שיטה עבור בדיית ואן דר Waals הטרובנים (הכנת המצע העליון).
- הכינו את המצע העליון לשגרת ההעברה על ידי פילינג הקריסטל על סרט מתיל (PMMA) המצורף לשקופית זכוכית (איור 3a-d).
- בצע את ההליך המתואר בשלב 2.1. כדי לקבל מצע נקי. מעיל ספין שכבה של אלכוהול פוליוויניל (PVA) על המצע ב 3,000 rpm עבור 1 דקות על ידי ביצוע הפרוטוקול המתואר במדריך למשתמש של המכשיר.
הערה: כאשר משתמשים בשיטת הסחרור, הוא מוצע לעשות זאת מתחת למכסה המנוע תוך לבישת PPE נאות. - מניחים באופן ישיר את המצע על צלחת חמה ואופים אותו באוויר ב 75 ° c עבור 5 דקות.
- ספין מעיל שכבה של PMMA על מצע משלב 3.1.2 על ידי ביצוע הליך דומה לזו בשלב 3.1.1, אבל הפעם להגדיר את הפרמטרים מסתובב מהירות זוויתית של 1,500 rpm עבור 1 דקות (איור 3a).
- מניחים באופן ישיר את המצע על צלחת חמה ואופים אותו באוויר ב 75 ° c עבור 5 דקות.
- הסר את המצע מהפלטה החמה והציבו פיסות דבק בקצוות של הסרט ליצירת מסגרת קלטת. לאחר מכן, פילינג מכני גביש 2D על פני השטח PMMA על ידי ביצוע שלב 2.2 (איור 3b).
- השתמש בפינצטה חדה כדי להפריד את ה-PMMA מתוך PMMA על ידי הפילינג לאט בחזרה את מסגרת הקלטת. שכבת pmma וקריסטל פילינג יחד עם מסגרת קלטת יהיה להתנתק pmma ו Si/SiO2 המצע (איור 3 ג).
- היפוך מסגרת הקלטת ומניחים אותו על תמיכה במכונה כגון הגביש פונה כלפי מטה (איור 3d).
הערה: תמיכה זו מאפשרת למשתמש למקם את מסגרת הקלטת תחת מיקרוסקופ אופטי כדי לבדוק את הקילוף על PMMA ולזהות פתיתים עם העובי הרצוי והגיאומטריה. - השימוש פינצטה חדה מיקרוסקופ אופטי למקום מכונת כביסה קטנה (0.5 מ"מ רדיוס פנימי) בדיוק על הסרט PMMA כגון זה מקיף את הפתיתים הרצוי (איור 3d).
- הנמך את שקופית הזכוכית והדבק אותו לפולימר על ידי לחיצה על הקלטת החשופה.
- בצע את ההליך המתואר בשלב 2.1. כדי לקבל מצע נקי. מעיל ספין שכבה של אלכוהול פוליוויניל (PVA) על המצע ב 3,000 rpm עבור 1 דקות על ידי ביצוע הפרוטוקול המתואר במדריך למשתמש של המכשיר.
4. polydiמתיל siloxane (PDMS) שיטת הטבעה של בדיית ואן דר Waals הטרובנים (הכנת מצע העליון).
- הכינו פתרון של פוליפרופילן פחמתי (PPC) עבור ציפוי ספין על ידי ערבוב שלושה חלקים קריסטל PPC עם 17 חלקים anisole. זה נעשה על ידי האפשרות לערבב את הפתרון בתוך מערבב עבור כ 8 h או עד הפתרון הוא הומוגנית.
- הכינו את המצע העליון של הליך ההעברה על ידי פילינג קריסטל בסרט PPC ולאחר מכן הצבת אותו על חותמת PDMS המצורפת לשקופית זכוכית (איור 4a-d).
- בצע את ההליך בשלב 2.1. כדי לקבל מצע נקי. מעיל ספין שכבה של PPC על מצע ב 3,000 סל ד עבור 1 דקות (איור 4a).
- מניחים באופן ישיר את המצע על צלחת חמה ואופים אותו באוויר ב 75 ° c עבור 5 דקות.
- הסר את המצע מהפלטה החמה והציבו פיסות דבק בקצוות של הסרט ליצירת מסגרת קלטת.
- מכנית פילינג גביש 2D שכבתית על מצע מצופה PPC ידי בעקבות צעד 2.2 ולהשתמש במיקרוסקופ אופטי כדי לזהות שפתית עם עובי וגיאומטריה הרצוי. (איור 4b).
- השימוש במספריים או להב כירורגי לגזור פיסת pdms לתוך 2 מ"מ x 2 מ"מ מרובע ומניחים אותו חרט פלזמה חמצן עבור 2 דקות ב 50 W ו 53.3 Pa.
- בסוף המחזור, לחצו על שקופית זכוכית בחותמת PDMS כדי לקשר בין שניהם יחד. מניחים את השקופית זכוכית ו pdms החותמת בחזרה פלזמה חרט חמצן לעבור את אותו מחזור. הסר את שקופית הזכוכית כאשר המחזור הסתיים.
- באמצעות מספריים, לקלף בזהירות את מסגרת הקלטת לאסוף את הסרט PPC עם גביש פילינג (איור 4c) ולמקם אותו על החותמת pdms כגון הפתיתים הרצוי ממוקם על החותמת.
5. העברת פתיתים מן המצע העליון למצע התחתון באמצעות שיטת PMMA-PMMA (איור 3e-h).
- הצב מצע בשלב התחתון של הגדרת ההעברה. על מצע זה, לזהות את המיקום של הפתיתים הרצוי. הפתיתים האלה יהיו. הקריסטל התחתון גם, במקום את המצע העליון (שקופית הזכוכית משלב 3.1.9) לתוך מחזיק המצע העליון של ההתקנה העברה (איור 3e).
- באמצעות מטרה נמוכה הגדלה (5x), להביא את המצע התחתון לפוקוס ומרכז את הפתיתים הרצוי. הנמך באיטיות את המצע העליון עד שייכנס לעומק שדה היעד. התאימו את התנוחה הצדדית ואת היישור הסיבוב של שני הפתיתים.
- השתמש במטרה להגדלה גבוהה יותר (50x) והמשך להנמיך את המצע העליון תוך התאמת היישור הפתיתים. להוריד את המצע העליון עד למעלה לגמרי קשר לחלוטין את החלק התחתון. המגע מורגש בשינוי פתאומי של הצבע.
- חום המצע התחתון כדי 75 ° צ' לצורך הדבקה טובה יותר של PMMA למצע התחתון. PMMA יהיה להתנתק מתוך שקופית זכוכית (איור 3f).
- נקה את המצע התחתון לאחר שלב 2.3 כדי להסיר את הסרט PMMA (איור 3g-h).
6. העברת פתיתי מן המצע העליון אל המצע התחתון באמצעות שיטת הטבעה (איור 4d-f).
- הצב מצע בשלב התחתון של הגדרת ההעברה. על מצע זה, לזהות את המיקום של הפתיתים הרצוי. הפתיתים האלה יהיו. הקריסטל התחתון גם, במקום את המצע העליון (שקופית זכוכית עם PDMS משלב 4.2.5 – 4.2.6) לתוך מחזיק המצע העליון של ההתקנה העברה (איור 4d).
- חום המצע התחתון כדי 100 ° צ' ולאחר מכן בצע את השלבים 5.2 – 5.4 ליישר ולהביא ליצור קשר עם הגביש העליון עם הפתיתים התחתונים (איור 4e).
- לאחר המגע המלא מורכב בין שתי שבבים (איור 4e), לאט להעלות את המצע העליון. התוצאה היא ירידה של הפתיתים העליון מן החותמת אל המצע התחתון (איור 4f).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
כדי להמחיש את התוצאות ואת האפקטיביות של ההליך שלנו אנו מציגים רצף של ערימות מבוקרת זווית של רניום קשר דיסולפידי (במיל2) גבישים דקים. כדי להדגיש שהשיטה המתוארת יכולה גם להיות מוחלת על שכבות דקות, אנו גם מדגימה את הבנייה של שני מונאולאיירס מעוות יחסית של מוליבדן דיגופרתי (MoS2).
כדי להדגים את יכולות היישור זוויתי של התקנת ההעברה אנו משתמשים רניום קשר דיסולפידי (ReS2). בגלל מבנה הסריג האנאיזוטרופי של המטוס, גביש זה מכני בתור ברים מאורכים עם קצוות מוגדרים היטב23,24. זה הופך אותו למועמד מושלם להדגמה של יישור זוויתי. באמצעות שיטת הטבעה של PDMS המתוארת בפרוטוקול, העברנו "top" הקריסטל ReS2 מן החותמת על מצע סיליקון עם פילינג בעבר "התחתון" res2. בכל פעם כיוונו ליישר את הקצוות בזווית מסוימת. העסקת את הרכיב זוויתי של ההתקנה העברה, "top" ReS2 פתיתים הונחו כך שזה יהיה מעוות על ידי הזווית הרצויה ספציפית ביחס להווה כבר "התחתון" res2.
איור 5 מראה דוגמה של העברה שבה החלק העליון של ReS2 הוצב על התחתון ReS2 פתיתים עם זווית יחסית מיועדת של 75 °. המיקרוגרפים האופטיים של הקריסטלים התחתונים והעליונים מוצגים באיור 5a ובאיור 5a בהתאמה. באמצעות שיטת הטבעה של PDMS המתוארת בפרוטוקול, מחסנית הייתה מפוברק והגביש החדש שנוצר מוצג באיור 5c. מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM) שימש כדי לדמות את המחסנית באיור 5d; זה מדגים את הזווית טוויסט בין שבבים העליון התחתון נמדד 74.6 ° ± 0.1 ° (פירושו ± SD). שורת השגיאה חושבה מחוסר הוודאות בהגדרה מדויקת של הקצוות של ה-ReS2 במיקרוגרפים. כדי להציג עוד יותר את הדיוק הזוויתי של התקנת ההעברה, חזרנו על תהליך זה עבור מספר דוגמאות אחרות עם זוויות יחסיות מיועדות בין 15 ° ל 90 ° בהפרשים של 15 ° (איור 6).
באמצעות הליך PMMA-PMMA כפי שמתואר בפרוטוקול, הגדרת ההעברה משמשת בהצלחה כדי ליצור מבנה המורכב משני פתיתים מונאולייר של מוליבדן דיגופרתי (MoS2). Monolayers הפרט הם פילינג אל PMMA (איור 7a) ו Si/SiO2 בהתאמה (איור 7a). תהליך ההעברה שלנו מביא למבנה המוצג במיקרו-גרף האופטי באיור 7c. המבנה שלה מאופיין עוד יותר על ידי מיקרוסקופ כוח אטומי, המאשר את העובי ואת המיקום היחסי של מוערמים MoS2 מונאולייר (איור 7d).
איור 1: רכיבי הגדרת ההעברה. (א) המיקרוסקופ האופטי מצויד במצלמה ושלוש מטרות מרחק עבודה ארוכות. (ב) מיקרוסקופ עם הסימולטורים העליון אשר מסוגלים לנוע בכיוונים XYZ (טרנסלtional) כיוונים. (ג) הסימולטורים העליונים. (ד) זרוע מאצ מותאמת אישית אשר מחכה לסימולטורים העליונים ומשמש להחזיק שקופית זכוכית (המדגם העליון). (ה) מיקרוסקופ עם הסימולטורים התחתון אשר יכול לנוע XYZ (טרנסלtional) ו Θ (סיבוב). (ו) הסימולטורים התחתונים. (g) מחזיק מותאם אישית בידוד תרמי בשלב התחתון (משמאל) אשר מחובר ישירות לשלב המסתובב. רכיב חימום שטוח בטמפרטורה מבוקרת מוצג בצד ימין. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 2: הפאנל הקדמי של תוכנת מיכשור האחראי על שליטה בסימולטורים. הפנל הקדמי מחולק לשני חלקים; המקטע השמאלי שולט בשלב התחתון בעוד שהמקטע הימני שולט בסימולטורים העליונים. המשתמש יכול להעביר את הסימולטורים בנפרד או בו זמנית, לקרוא את המיקום של כל מניפולטור, לשמור מיקומים, להתאים את מהירות הסימולטורים, ולהתמקד באופן אוטומטי. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 3: PMMA-PMMA הכנה למצע והעברת הליך. (א) במצע חשוף Si/SiO2 הוא הספין הראשון מצופה עם PVA ואחריו pva. (ב) מסגרת קלטת מונחת על מצע להחזיק את הפולימר במהלך קילוף מכני. (ג) מסגרת הסרט מקולף לאחור כדי לאסוף את שכבת pmma עם גביש הפילינג. (ד) מסגרת הסרט הפוכה ומונחת על תמיכה במכונה ואחריו בדיקה תחת מיקרוסקופ אופטי. מכונת כביסה מונחת על הסרט פולימר כך שהוא מקיף את הפתיתים הרצוי. (ה) שקופית זכוכית מדבקה למסגרת הקלטת וממוקמת בראש הטור העליון של הגדרת ההעברה. המצע הכין בעבר עם גביש הפילינג ממוקם על הבמה התחתונה. (ו) הפתיתים העליונים והתחתונים מיושרים ומובאים במגע. על ידי חימום בשלב התחתון כדי 75 ° c, PMMA ניתוק מן השקופית זכוכית עוזב (g) את הפתיתים העליון, את הסרט pmma ואת מכונת הכביסה על המצע התחתון. (ח) מכונת הכביסה מוסרת ו-pmma הוא שטף משם וכתוצאה מכך הטרוסקסואלים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 4: הכנה להבלטנות של PDMS והעברת הליך. (א) המצע החשוף Si/SiO2 הוא ספין מצופה PPC. (ב) מסגרת קלטת מונחת על מצע להחזיק את הפולימר במהלך קילוף מכני. (ג) מסגרת הסרט מקולף לאחור כדי לאסוף את שכבת PPC עם גביש הפילינג. (ד) שקופית הזכוכית ממוקמת בראש מניפולטור העליון של הגדרת ההעברה. מצע שהוכן בעבר עם גביש הפילינג מונח על הבמה התחתונה ומחומם ל-100 ° c. (ה) הפתיתים העליונים והתחתונים מיושרים ומובאים במגע. (ו) ב 100 ° c, אנחנו יכולים לאט להעלות את השלב העליון אשר מביא את הירידה של הפתיתים מן החותמת אל המצע התחתון. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 5: ReS2 שבבים הועברו עם זווית יחסית של 75 °. מיקרוגרפים אופטיים של (א) מימון2 קריסטל מכנית פילינג על המצע si/sio2 , (ב) במיל2 קריסטל מכנית פילינג על si/sio2/PPC המצע, (ג) המתקבל מבנה לאחר ההעברה. (ד) מפת טופוגרפיות של afm של המבנה הסופי המתאים לשטח הקופסה ב (ג). הזווית נמדד בין הפתיתים ReS2 הוא 74.6 ° ± 0.1 °. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 6: ReS2 שבבים הועברו בזוויות יחסיות ספציפיות. (a-f) מיקרוגרפים אופטיים של במיל2 פתיתים הועברו בכוונה ליצור זוויות הנע בין 15 ° ל 90 ° בהפרשים של 15 °. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 7: מעוות MoS2 bilayer. מיקרוגרפים אופטיים של (א) העליוןmos 2 פתיתים על הסרט pmma, (ב) התחתון mos2 פתיתים על המצע Si/SiO2 , (ג) ואת המבנה MoS2 מעוות. כל מייצגי הגודל בתמונות האופטיות למדוד 5 μm. (ד) afm תמונה של מבנה MoS2 מעוות עם פרופיל קו (שיבוץ) לאורך הכיוון המצוין על ידי קו מקווקו שחור. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
הגדרת ההעברה המובנית המוצגת כאן מציעה שיטה לבניית חומרים שכבתית הרומן עם שליטה לרוחב וסיבוב. בהשוואה לפתרונות אחרים המתוארים בספרות10,25, המערכת שלנו אינה דורשת תשתית מורכבת, אך היא משיגה את המטרה של יישור מבוקר של גבישים דו-ממדיים.
הצעד הקריטי ביותר בהליך הוא ליישר ולמקם את הגביש העליון במגע עם התחתון. ויברציות יכול להיות גורם ליישור כושל, לכן, יש למזער את השפעתם. בהקשר זה, היתרון של הגדרת "ידיים חופשיות" המוצג כאן הוא שהמשתמש אינו מסתכן בהצגת ויברציות הנגרמות על ידי טיפול ידני של הסימולטורים. שיפורים נוספים יכולים להיות מושגת על ידי הצבת הגדרת בסביבה עם תנודות נמוכות יותר או על שולחן מצויד מנגנוני לשיכוך רטט.
כמו יישור הסיבוב הופך להיות פרמטר יותר ויותר חשוב לשקול בעת יצירת ואן דר Waals הטרובנים, את היכולת המסתובבת של ההתקנה העברה זו היא אחת העוצמות שלה. העובדה כי המיקרוסקופ האופטי מוגבל בפתרון הקצוות של שני הקריסטלים מייצג את המגבלה המרכזית בדיוק היישור.
לא כל החומרים הדו. אינם פעילים באוויר גבישים כגון זרחן שחור (BP)26 או טרילודייט כרום (המכונה3)27,28 ידועים לבזות בעת חשיפה לאוויר. לכן, כדי ליצור הטרובנים באמצעות חומרים אלה, ולשמר את הממשק בתולי, הליך ההעברה יצטרך להתרחש בסביבה אינרטי כגון בתוך התיבה glovebox. מכיוון שמכשור ההעברה המוצג כאן הוא "ללא ידיים", ניתן להפעיל אותו בקופסה כדורית שבה ניתן להשתמש בחומרים אלה.
לבסוף, שיטת הערימה המוצגת כאן יכולה להיות בעלת ישימות רחבה יותר וניתנת להרחבה למצבים כאשר שני גבישים או גביש ומצע צריכים להיות מיושרים בדיוק לאורך הדרך.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
. למחברים אין מה לגלות למחברים אין אינטרסים פיננסיים מתחרים.
Acknowledgments
המחברים להכיר מימון מאוניברסיטת אוטווה ו-NSERC מענק דיסקברי RGPIN-2016-06717 NSERC 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).
