Nieuwe periodieke structuren bekend als moiré-roosters kunnen worden waargenomen in tweedimensionale (2-D) heterostructuren die lagen bevatten met enigszins verschillende roostervectoren, die op hun beurt nieuwe topologische fenomenen kunnen ondersteunen. Het is daarom belangrijk om beeldvorming met hoge resolutie van deze moiré-roosters en superstructuren te verkrijgen om de opkomende fysica te begrijpen. In een nieuw rapport dat nu gepubliceerd is in wetenschappelijke vooruitgang , Kyunghoon Lee en een team van wetenschappers rapporteren het beeldvormingsproces om moiré-roosters en superstructuren in op grafeen gebaseerde monsters onder omgevingsomstandigheden te bekijken met behulp van microscopie met microscopie met ultrahoge resolutie. Terwijl de sondepunt van het apparaat een totale straal van 100 nm behield, het onderzoeksteam bereikte een ruimtelijke resolutie beter dan 5 nm. Deze opstelling maakte directe visualisatie van moiré-roosters en het samengestelde super-moiré mogelijk. De onderzoekers toonden ook de kunstmatige synthese van nieuwe superstructuren die voortkomen uit het samenspel tussen verschillende lagen.

Topologische fysica en nieuwe kwantumfenomenen met moiré-roosters

Tweedimensionale heterostructuren bestaande uit atomair dunne lagen met enigszins verschillende roostervectoren kunnen moiré-roosters vormen met een grote periodiciteit vanwege een grote roostermismatch of een kleine hoekverdraaiing in de structuur. Dergelijke architecturen genereren nieuwe lengte- en energieschalen in gestapelde 2D-materialen om een ​​opwindend nieuw platform te bieden om nieuwe gecorreleerde fenomenen en topologische fysica in van der Waals-heterostructuren te ontwikkelen. Superstructuren van moiré-roosters kunnen worden gevormd wanneer vergelijkbare roosterstructuren op elkaar worden gestapeld om extra flexibiliteit te bieden om nieuwe kwantumverschijnselen te ontwerpen. Het is belangrijk om het moiré-rooster en de superstructuren in een apparaatconfiguratie te karakteriseren om de rijke moiré-fysica in 2-D heterostructuren te begrijpen en te beheersen.

Traditioneel kan dit worden bereikt met transmissie-elektronenmicroscopie (TEM), atomic force microscopie (AFM) en scanning tunneling microscopie (STM) technieken. Maar de meeste methoden vereisen gespecialiseerde monstervoorbereidingsprotocollen die grotendeels ongeschikt zijn om functionele apparaten te observeren. Scanning-microgolfimpedantiemicroscopie (sMIM) is een alternatief en aantrekkelijk moiré-beeldvormingsinstrument in vergelijking met bestaande methoden, die het voordeel van ruimtelijke resolutie combineert met een hoge gevoeligheid van lokale elektrische eigenschappen van het apparaat. Lee et al. demonstreerde daarom een ​​implementatie van sMIM met ultrahoge resolutie, die ze ook uMIM noemden om beeldvorming op nanoschaal uit te voeren van moiré-roosters en superstructuren van verschillende op grafeen gebaseerde apparaten onder omgevingsomstandigheden.

Microscopie met ultrahoge resolutie scanning microgolfimpedantie

Met behulp van de beeldsonde, het team onthulde verschillende moiré-superstructuren, waaronder een supermodulatie van het moiré-rooster en een nieuwe Kagome-achtige moiré-structuur die voortkomt uit het samenspel tussen nauw uitgelijnde gedraaide grafeen- en hexagonale boornitride (hBN) -lagen. Dergelijke moiré-superstructuren kunnen nieuwe wegen bieden om kwantumfenomenen in van der Waals-heterostructuren te ontwikkelen. Tijdens de experimenten, het team gebruikte de microscoop om de lokale complexe tip-sample-toegang te onderzoeken. De waargenomen tip-sample-toelating was afhankelijk van de lokale geleidbaarheid van het monster en het team berekende de echte en denkbeeldige uMIM-signalen (respectievelijk als uMIM-Re en uMIM-Im). Het denkbeeldige signaal was informatief om de lokale geleidbaarheid snel te beoordelen, aangezien het monotoon toenam met de plaatgeleiding van het monster. De nieuwe analytische beeldvormingsmethode zorgde voor een microgolfversie van de apertuurloze optische microscopiemethode in het nabije veld. Hoewel in tegenstelling tot de nabije-veldmicroscoop, de onderzoekers voerden de experimenten uit in contactmodus waarbij de elektromagnetische koppeling tussen de tip en het monster sterk gelokaliseerd was aan de top van de tip.

Proof-of-concept met op grafeen gebaseerde systemen

Het team toonde het vermogen van de beeldvormingstechniek door het moiré-superrooster in gedraaid dubbel dubbellaags grafeen (tDBG) te bekijken. Ze losten drie verschillende domeinen in het tDBG-moiré-rooster op met behulp van verschillende signalen om het nut van de techniek aan te tonen om fijne structuren van moiré-roosters in 2-D heterostructuren te identificeren op basis van lokale geleidbaarheid. Om het ruimtelijke resolutievermogen van de methode aan te tonen, Lee et al. afgebeelde moiré-defecten langs het moiré-rooster, en loste de defecten op met een resolutie van minder dan 5 nm. Deze methode presteerde beter dan andere optische near-field microscopen.

De wetenschappers toonden vervolgens de universele toepasbaarheid van de methode om moiré-structuren op te lossen in een verscheidenheid aan op grafeen gebaseerde systemen. Bijvoorbeeld, de techniek vergemakkelijkte moiré-waarnemingen in epitaxiaal gegroeide monolaag grafeen/hBN (hexagonaal boornitride) monsters, gesynthetiseerd met behulp van standaard plasma-versterkte chemische dampafzetting. De methode loste ook de driehoekige domeinen op in gedraaid drielaags grafeen (tTG) en gedraaid dubbel dubbellaags grafeen (tDBG). Afgezien van conventionele moiré-roosters, de ultrahoge gevoeligheid microscopische methode maakte het ook mogelijk om moiré-superstructuren af ​​te beelden van drie onderliggende roosters met verschillende roostervectoren, zoals gedraaid dubbel dubbellaags grafeen op hexagonaal boornitride (BG/BG/hBN). Hoewel dergelijke heterostructuren eerder zijn afgebeeld met conventionele technieken, ze moeten nog worden waargenomen in omgevingsomstandigheden. De topografische afbeeldingen toonden modificaties van de moiré-structuur, wat kan leiden tot een gewijzigd elektronisch spectrum dat uiteindelijk mogelijk moet worden opgenomen in theoretische berekeningen van de elektronische structuur van het materiaal.

Onderzoek naar andere moiré-bovenbouw

Lee et al. vervolgens de methode gebruikt om andere moiré-superstructuren met gewenste fysieke eigenschappen te onderzoeken. Bijvoorbeeld, het Kagome-rooster heeft opmerkelijke aandacht getrokken als platform om de natuurkunde van Hubbard te bestuderen vanwege de aanwezigheid van platte banden en exotische kwantum- en magnetische fasen. Echter, Kagome-roosterkristallen zijn relatief zeldzaam in de natuur, terwijl ze kunnen worden gesimuleerd via een optisch superrooster in ultrakoud atoomonderzoek. Het team ontwikkelde daarom een ​​solid-state Kagome-achtig moiré-superrooster in BG/BG/hBN-systemen (gedraaid dubbel dubbellaags grafeen op hexagonaal boornitride) en visualiseerde een speciaal moiré-composiet via de beeldvormingstechniek. De wetenschappers onderzochten de resulterende structuur in detail en vergeleken deze met de verwachte structuur van een ideaal Kagome-rooster.

Outlook

Op deze manier, Kyunghoon Lee en collega's demonstreerden uitgebreid het gebruik van een ultrahoge resolutie scanning microgolfimpedantiemicroscoop (sMIM) als een eenvoudige, high-throughput en niet-invasieve methode om moiré-superroosters en superstructuren te karakteriseren, inclusief moiré-defecten. Het team heeft ook Kagome-superroosters op maat gemaakt in meerlagige stapels van op grafeen gebaseerde van der Waals-heterostructuren. De superieure beeldvormingstechniek zal zorgen voor een beter begrip van de ontwerppaden van heterostructuren om hun correlatie met kwantumfenomenen in geavanceerde moiré-superstructuren te onderzoeken.

© 2020 Wetenschap X Netwerk