Nya periodiska strukturer kända som moirégitter kan observeras i tvådimensionella (2-D) heterostrukturer som innehåller lager med något olika gittervektorer, vilket i sin tur kan stödja nya topologiska fenomen. Det är därför viktigt att få högupplöst avbildning av dessa moiré-gitter och överbyggnader för att förstå den framväxande fysiken. I en ny rapport som nu publiceras i Vetenskapens framsteg , Kyunghoon Lee och ett team av forskare rapporterar avbildningsprocessen för att se moirégitter och överbyggnader i grafenbaserade prover under omgivande förhållanden med hjälp av skanningsmikrovågsimpedansmikroskopi med ultrahögupplösningsimplementering. Medan sondspetsen på enheten bibehöll en bruttoradie på 100 nm, forskargruppen uppnådde en rumslig upplösning bättre än 5 nm. Denna inställning möjliggjorde direkt visualisering av moiré-galler och den sammansatta super-moiréen. Forskarna visade också den artificiella syntesen av nya överbyggnader som uppstår från samspelet mellan olika lager.

Topologisk fysik och nya kvantfenomen med moirégitter

Tvådimensionella heterostrukturer sammansatta av atomärt tunna lager med något olika gittervektorer kan bilda moirégitter med stor periodicitet på grund av en stor gittermissanpassning eller en liten vinkelvridning i strukturen. Sådana arkitekturer genererar en ny längd och energiskalor i staplade 2D-material för att tillhandahålla en spännande ny plattform för att konstruera nya korrelerade fenomen och topologisk fysik i van der Waals heterostrukturer. Överbyggnader av moiré-galler kan bildas när liknande gitterstrukturer staplas ihop för att erbjuda extra flexibilitet för att designa nya kvantfenomen. Det är viktigt att karakterisera moiré-gittret och överbyggnaderna i en enhetskonfiguration för att förstå och kontrollera den rika moiré-fysiken i 2D-heterostrukturer.

Traditionellt kan detta åstadkommas med transmissionselektronmikroskopi (TEM), atomic force microscopy (AFM) och scanning tunneling microscopy (STM) tekniker. Men de flesta metoder kräver specialiserade provberedningsprotokoll som i stort sett är olämpliga för att observera funktionella enheter. Skanningsmikrovågsimpedansmikroskopi (sMIM) är ett alternativt och attraktivt moiré-avbildningsverktyg jämfört med befintliga metoder, som kombinerar fördelen med rumslig upplösning med hög känslighet för enhetens lokala elektriska egenskaper. Lee et al. demonstrerade därför en ultrahögupplöst implementering av sMIM, som de också döpte till uMIM för att utföra nanoskala avbildning av moiré-gitter och överbyggnader av olika grafenbaserade enheter under omgivande förhållanden.

Ultrahögupplöst skanningsmikrovågsimpedansmikroskopi

Med hjälp av avbildningssonden, teamet avslöjade flera moiré-superstrukturer inklusive en supermodulation av moiré-gittret och en ny Kagome-liknande moiré-struktur som härrör från samspelet mellan tätt inriktade vridna grafen och hexagonala bornitrid (hBN) lager. Sådana moiré-överbyggnader kan erbjuda nya vägar för att konstruera kvantfenomen i van der Waals heterostrukturer. Under experimenten, teamet använde mikroskopet för att undersöka det lokala komplexa spets-provet tillträde. Den observerade spets-provadmittansen berodde på den lokala provkonduktiviteten och teamet beräknade de verkliga och imaginära uMIM-signalerna (som uMIM-Re respektive uMIM-Im). Den imaginära signalen var informativ för att snabbt bedöma den lokala konduktiviteten eftersom den ökade monotont med provets arkkonduktans. Den nya analytiska avbildningsmetoden gav en mikrovågsversion av den bländarlösa närfältsmikroskopimetoden. Även om till skillnad från närfältsmikroskopet, forskarna utförde experimenten i kontaktläge där den elektromagnetiska kopplingen mellan spetsen och provet var mycket lokaliserad vid spetsens spets.

Proof-of-concept med grafenbaserade system

Teamet visade förmågan hos avbildningstekniken genom att titta på moiré-supergittret i vriden dubbelskiktsgrafen (tDBG). De löste tre olika domäner i tDBG moiré-gittret med hjälp av distinkta signaler för att visa användbarheten av tekniken för att identifiera fina strukturer av moiré-gitter i 2D-heterostrukturer baserat på lokal ledningsförmåga. För att demonstrera den rumsliga upplösningsförmågan hos metoden, Lee et al. avbildade moirédefekter längs moirégittret, och löste defekterna med en upplösning under 5 nm. Denna metod överträffade andra optiska närfältsmikroskop.

Forskarna visade sedan den universella tillämpbarheten av metoden för att lösa moiréstrukturer i en mängd olika grafenbaserade system. Till exempel, tekniken underlättade moiré-observationer i epitaxiellt odlad monolager grafen/hBN (hexagonal bornitrid) prover, syntetiserad med standardplasmaförstärkt kemisk ångavsättning. Metoden löste också de triangulära domänerna i vriden treskiktsgrafen (tTG) och vriden dubbelskiktsgrafen (tDBG). Förutom konventionella moiré-galler, den mikroskopiska metoden med ultrahög känslighet möjliggjorde också avbildning av moiré-överbyggnader från tre underliggande gitter med olika gittervektorer, såsom vriden dubbelskiktsgrafen på hexagonal bornitrid (BG/BG/hBN). Även om sådana heterostrukturer tidigare har avbildats med konventionella tekniker, de återstår att observera under omgivande förhållanden. De topografiska bilderna visade modifieringar av moiréstrukturen, vilket kan leda till ett modifierat elektroniskt spektrum som så småningom kan behöva ingå i teoretiska beräkningar av materialets elektroniska struktur.

Undersöker andra moiré-överbyggnader

Lee et al. använde sedan metoden för att undersöka andra moiré-överbyggnader med önskvärda fysikaliska egenskaper. Till exempel, Kagome-gallret har väckt stor uppmärksamhet som en plattform för att studera Hubbards fysik på grund av närvaron av platta band och exotiska kvant- och magnetiska faser. Dock, Kagome gitterkristaller är relativt sällsynta i naturen, medan de kan simuleras via ett optiskt supergitter i ultrakall atomforskning. Teamet utvecklade därför ett solid-state Kagome-liknande moiré-supergitter i BG/BG/hBN-system (tvinnad dubbelskiktsgrafen på hexagonal bornitrid) och visualiserade en speciell moiré-komposit via bildtekniken. Forskarna undersökte den resulterande strukturen i detalj och jämförde den med den förväntade strukturen för ett idealiskt Kagome-gitter.

Syn

På det här sättet, Kyunghoon Lee och kollegor demonstrerade utförligt användningen av ett ultrahögupplöst skanningsmikrovågsimpedansmikroskop (sMIM) som ett enkelt, hög genomströmning och icke-invasiv metod för att karakterisera moiré-supergitter och överbyggnader inklusive moiré-defekter. Teamet skräddarsydde också Kagome-supergitter i flerskiktsstaplar av grafenbaserade van der Waals-heterostrukturer. Den överlägsna avbildningstekniken kommer att ge bättre förståelse för heterostrukturdesignvägarna för att undersöka deras korrelation med kvantfenomen i avancerade moiré-superstrukturer.

© 2020 Science X Network