Todimensionelle heterostrukturer sammensat af lag med lidt forskellige gittervektorer

Nye periodiske strukturer kendt som moiré-gitter kan observeres i todimensionelle (2-D) heterostrukturer, der indeholder lag med lidt forskellige gittervektorer, som igen kan understøtte nye topologiske fænomener. Det er derfor vigtigt at opnå billeddannelse i høj opløsning af disse moiré-gitre og overbygninger for at forstå den nye fysik. I en ny rapport, der nu er offentliggjort i Videnskabens fremskridt , Kyunghoon Lee og et team af forskere rapporterer om billeddannelsesprocessen for at se moiré-gitre og overbygninger i grafenbaserede prøver under omgivende forhold ved hjælp af scannende mikrobølgeimpedansmikroskopi med implementering i ultrahøj opløsning. Mens sondespidsen af ​​enheden opretholdt en brutto radius på 100 nm, forskerholdet opnåede en rumlig opløsning bedre end 5 nm. Denne opsætning tillod direkte visualisering af moiré-gitre og den sammensatte super-moiré. Forskerne viste også den kunstige syntese af nye overbygninger, der opstår fra samspillet mellem forskellige lag.

Topologisk fysik og nye kvantefænomener med moiré-gitre

Todimensionelle heterostrukturer sammensat af atomisk tynde lag med lidt forskellige gittervektorer kan danne moiré-gitre med stor periodicitet på grund af en stor gitter-mismatch eller en lille-vinklet drejning i strukturen. Sådanne arkitekturer genererer en ny længde og energiskalaer i stablede 2-D materialer for at give en spændende ny platform til at konstruere nye korrelerede fænomener og topologisk fysik i van der Waals heterostrukturer. Overbygninger af moiré-gitre kan dannes, når lignende gitterstrukturer stables sammen for at give ekstra fleksibilitet til at designe nye kvantefænomener. Det er vigtigt at karakterisere moiré-gitteret og overbygningerne i en enhedskonfiguration for at forstå og kontrollere den rige moiré-fysik i 2-D heterostrukturer.

Traditionelt kan dette opnås med transmissionselektronmikroskopi (TEM), atomic force microscopy (AFM) og scanning tunneling microscopy (STM) teknikker. Men de fleste metoder kræver specialiserede prøveforberedelsesprotokoller, der stort set er uegnede til at observere funktionelle enheder. Scanningsmikrobølgeimpedansmikroskopi (sMIM) er et alternativt og attraktivt moiré-billeddannelsesværktøj sammenlignet med eksisterende metoder, som kombinerer fordelen ved rumlig opløsning med høj følsomhed af enhedens lokale elektriske egenskaber. Lee et al. demonstrerede derfor en ultra-høj opløsning implementering af sMIM, som de også kaldte uMIM til at udføre nanoskala-billeddannelse af moiré-gitre og overbygninger af forskellige grafen-baserede enheder under omgivende forhold.

Ultra-høj opløsning scanning mikrobølge impedans mikroskopi

Ved hjælp af billedsonden, holdet afslørede adskillige moiré-superstrukturer, herunder en supermodulation af moiré-gitteret og en ny Kagome-lignende moiré-struktur, der stammer fra samspillet mellem tæt afstemte snoet grafen og hexagonale bornitrid (hBN) lag. Sådanne moiré-overbygninger kan tilbyde nye veje til at konstruere kvantefænomener i van der Waals heterostrukturer. Under forsøgene, holdet brugte mikroskopet til at undersøge den lokale komplekse spids-prøve adgang. Den observerede spidsprøveadmission afhang af den lokale prøveledningsevne, og holdet beregnede de reelle og imaginære uMIM-signaler (som henholdsvis uMIM-Re og uMIM-Im). Det imaginære signal var informativt for hurtigt at vurdere den lokale ledningsevne, da den steg monotont med prøvens ledningsevne. Den nye analytiske billeddannelsesmetode gav en mikrobølgeversion af den blændeløse nærfelts optiske mikroskopimetode. Selvom i modsætning til nærfeltsmikroskopet, forskerne udførte eksperimenterne i kontakttilstand, hvor den elektromagnetiske kobling mellem spidsen og prøven var meget lokaliseret ved spidsens spids.

Proof-of-concept med grafen-baserede systemer

Holdet viste billeddannelsesteknikkens evne ved at se moiré-supergitteret i snoet dobbelt-dobbelt-grafen (tDBG). De løste tre forskellige domæner i tDBG moiré-gitteret ved hjælp af forskellige signaler for at vise anvendeligheden af ​​teknikken til at identificere fine strukturer af moiré-gitre i 2-D heterostrukturer baseret på lokal ledningsevne. For at demonstrere metodens rumlige opløsningsevne, Lee et al. afbildede moiré-defekter langs moiré-gitteret, og løste defekterne med en opløsning på under 5 nm. Denne metode overgik andre optiske nærfeltsmikroskoper.

Forskerne viste derefter den universelle anvendelighed af metoden til at løse moiré-strukturer i en række grafen-baserede systemer. For eksempel, Teknikken lettede moiré-observationer i epitaksialt dyrkede monolagsgrafen/hBN (hexagonal bornitrid) prøver, syntetiseret ved hjælp af standard plasma-forstærket kemisk dampaflejring. Metoden løste også de trekantede domæner i snoet trelagsgrafen (tTG) og snoet dobbeltlagsgrafen (tDBG). Bortset fra konventionelle moiré-gitre, den ultrahøjfølsomme mikroskopiske metode tillod også billeddannelse af moiré-superstrukturer fra tre underliggende gitter med forskellige gittervektorer, såsom snoet dobbelt-dobbelt-grafen på hexagonal bornitrid (BG/BG/hBN). Mens sådanne heterostrukturer tidligere er blevet afbildet med konventionelle teknikker, de skal stadig observeres under omgivende forhold. De topografiske billeder viste modifikationer af moiré-strukturen, hvilket kan føre til et modificeret elektronisk spektrum, der i sidste ende skal indgå i teoretiske beregninger af materialets elektroniske struktur.

Undersøgelse af andre moiré-overbygninger

Lee et al. brugte derefter metoden til at undersøge andre moiré-overbygninger med ønskelige fysiske egenskaber. For eksempel, Kagome-gitteret har tiltrukket sig bemærkelsesværdig opmærksomhed som en platform til at studere Hubbard-fysik på grund af tilstedeværelsen af ​​flade bånd og eksotiske kvante- og magnetiske faser. Imidlertid, Kagome gitterkrystaller er relativt sjældne i naturen, mens de kan simuleres via et optisk supergitter i ultrakoldt atomforskning. Holdet udviklede derfor et solid-state Kagome-lignende moiré-supergitter i BG/BG/hBN (snoet dobbelt-bilagsgrafen på sekskantet bornitrid) systemer og visualiserede en speciel moiré-komposit via billedteknikken. Forskerne undersøgte den resulterende struktur i detaljer og sammenlignede den med den forventede struktur af et ideelt Kagome-gitter.

Outlook

På denne måde Kyunghoon Lee og kolleger demonstrerede i vid udstrækning brugen af ​​et ultrahøj opløsning scanningsmikrobølgeimpedansmikroskop (sMIM) som et simpelt, høj-throughput og ikke-invasiv metode til at karakterisere moiré-supergitter og overbygninger inklusive moiré-defekter. Holdet skræddersyede også Kagome-supergitter i flerlagsstabler af grafen-baserede van der Waals heterostrukturer. Den overlegne billeddannelsesteknik vil give bedre forståelse af heterostrukturdesignvejene for at undersøge deres korrelation med kvantefænomener i avancerede moiré-superstrukturer.

© 2020 Science X Network