Fortschritte in der Torsionskraftmikroskopie für Moiré-Muster

In einem Stapel aus sehr dünnen Schichten, die aus bestimmten Materialien bestehen, erzeugt das Drehen der Schichten in spezifischen Winkeln ein Muster, das als Moiré-Superlattice bekannt ist. Die Grösse dieses Musters hängt davon ab, wie stark die Schichten gedreht sind. Schon kleine Änderungen im Drehwinkel können die elektrischen Eigenschaften des Materials erheblich beeinflussen. Deshalb ist es wichtig, den genauen Drehwinkel zu kennen und wie er im Stapel variiert.

Eine Methode zu finden, um einen präzisen Drehwinkel in diesen Stapeln einzustellen, ist eine Herausforderung. Aktuelle Methoden, die diese Moiré-Muster abbilden können, erfordern oft komplexe Ausrüstungen, umfangreiche Probenvorbereitungen oder beides. In dieser Arbeit untersuchen wir eine Technik namens Torsionale Kraftmikroskopie (TFM). Das ist eine Rastersondenmethode, die Änderungen der Reibung auf der Oberfläche erkennen kann. Damit können wir sowohl die Oberflächenstruktur als auch die dünnen Schichten direkt unter der Oberfläche von van-der-Waals (VdW)-Stapel sehen.

Mit TFM können wir verschiedene Muster untersuchen, die von den Schichten aus Graphen und hexagonalem Bornitrid (hBN) erzeugt werden, und sogar die atomare Struktur dieser Materialien sehen. TFM funktioniert, indem ein AFM (Atomkraftmikroskop)-Cantilever gedreht wird. Diese Bewegung wird sorgfältig kontrolliert, während eine konstante Kraft gegen die Probenoberfläche aufrechterhalten wird. Die Technik funktioniert unter normalen Bedingungen bei Raumtemperatur und benötigt keinen elektrischen Bias. Das macht sie für viele verschiedene Arten von Proben nützlich.

Unser Ziel ist es, wichtige strukturelle Informationen zu finden, einschliesslich der Drehwinkel und Dehnungen in den Moiré-Mustern sowie der Kristallorientierung von VdW-Materialien, um vorhersehbare Methoden zur Herstellung dieser Strukturen zu entwickeln.

#Die Bedeutung von Moiré-Superlattices

Die elektronischen Eigenschaften von Materialien können durch die Anordnung der Atome in ihnen erheblich verändert werden. Wenn zum Beispiel zwei Schichten Graphen in einem bestimmten Winkel gedreht werden, können sie ein Moiré-Superlattice bilden. Die Beschreibung dieser Anordnung nennt sich Drehwinkel. Forscher haben herausgefunden, dass diese Drehtechnik neue Möglichkeiten eröffnet, die elektrischen Eigenschaften von Materialien zu verändern.

Neueste Studien über gekoppelte Schichten von Graphen (oft als magic-angle twisted bilayer graphene oder tBG bezeichnet) zeigen aufregende Verhaltensweisen. Diese Schichten können einzigartige elektronische Zustände, Supraleitung und sogar Effekte wie orbitale Ferromagnetismus zeigen, abhängig vom Drehwinkel sowie von den verwendeten Materialien in den Schichten. Die konsistente Kontrolle über den Drehwinkel zu erreichen und sicherzustellen, dass er im gesamten Muster einheitlich bleibt, ist jedoch ziemlich schwierig. Zuverlässige Möglichkeiten zur Abbildung dieser Moiré-Superlattices müssen entwickelt werden, um Forschern zu helfen, wie sie diese fortschrittlichen Materialien herstellen und untersuchen können.

#Ziele der Torsionalen Kraftmikroskopie

TFM zielt darauf ab, eine schnelle und effektive Möglichkeit zu bieten, Moiré-Muster in verschiedenen Massstäben zu beobachten. Es gibt mehrere Hauptfähigkeiten, die wir für diese Technik wollen:

1. Abbildung auf der Ebene einzelner Einheitszellen: Wir wollen Details im Bereich von Nanometern bis Mikrometern sehen können.
2. Grossflächenabbildung: Die Technik sollte in der Lage sein, grössere Bereiche abzubilden, zum Beispiel mehrere Mikrometer breit.
3. Subsurface-Abbildung: Sie sollte es uns auch ermöglichen, Merkmale unter der Oberfläche zu betrachten.
4. Atomare Gitterabbildung: TFM sollte atomare Abbildung von VdW-Materialien bieten.

#Vergleich mit anderen Techniken

Es wurden verschiedene Techniken verwendet, um Moiré-Muster abzubilden, aber viele haben Einschränkungen. Einige erfordern besondere Bedingungen wie sehr niedrige Temperaturen oder Hochvakuum-Umgebungen, was sie weniger praktikabel für schnelle Analysen macht.

Leitfähiges AFM kann atomare Abbildung bieten, benötigt jedoch eine leitfähige Probe. Das Standard-Tapping-Mode-AFM erzielt gute Auflösung, hat jedoch oft Schwierigkeiten, komplexe Strukturen wie tBG zu visualisieren. Scanning Microwave Impedance Microscopy (s-MIM) kann unter normalen Bedingungen arbeiten, löst jedoch keine atomaren Gitter, und Lateral Force Microscopy (LFM) zeigt fast das meiste Versprechen, hat aber immer noch Schwierigkeiten, Subsurface-Muster aufzulösen.

Eine andere Methode, die Piezoresponse Force Microscopy (PFM), hat Erfolge beim Kartieren von Moiré-Mustern gezeigt, hat aber auch Nachteile, wie die Notwendigkeit eines elektrischen Loops und das Risiko von Schäden an empfindlichen Materialien. Im Gegensatz zu diesen Methoden konzentriert sich TFM darauf, Änderungen der dynamischen Reibung zu erkennen und kann ohne direkt elektrischen Kontakt zwischen der Spitze und der Probe arbeiten.

#Wie die Torsionale Kraftmikroskopie funktioniert

TFM verwendet einen spezialisierten AFM-Cantilever mit der Fähigkeit zu drehen. Indem wir eine spezielle Spannung auf piezoelektrische Geräte anwenden, die am Cantilever angebracht sind, können wir die torsionale Bewegung anregen. So können wir erkennen, wie sich der Cantilever bewegt, wenn seine Spitze mit der Oberfläche der Probe interagiert.

Der Betrieb von TFM kann in zwei Hauptaufgaben unterteilt werden. Zuerst müssen wir eine konstante vertikale Lastkraft aufrechterhalten, während die Spitze über die Oberfläche scannt. Das ist ähnlich wie bei traditionellen AFM-Abbildungen. Der zweite Teil besteht darin, die torsionale Bewegung des Cantilevers und wie sie auf verschiedene Merkmale der Probe reagiert, zu überwachen.

Der Hauptvorteil von TFM ist die Fähigkeit, Informationen sowohl über das Moiré-Muster als auch über die zugrunde liegende atomare Struktur bereitzustellen, ohne umfangreiche Probenvorbereitungen zu benötigen. Das ist entscheidend für das Studium der Beziehung zwischen Struktur und elektronischen Eigenschaften.

#Zentrale Ergebnisse zu Moiré-Mustern

In unseren Experimenten haben wir TFM verwendet, um eine gängige Struktur aus Graphen und hBN zu untersuchen und sowohl das atomare Gitter als auch die Moiré-Muster erfolgreich abzubilden. Durch sorgfältiges Anpassen der vertikalen Kraft und der torsionalen Antriebsamplitude während der Abbildung konnten wir verschiedene Muster aufdecken, die mit den atomaren Anordnungen der Materialien übereinstimmten.

Zum Beispiel kartierten wir ein Moiré-Muster mit einer Periode von 2,6 nm, was auf einen relativen Drehwinkel von 5,4 Grad zwischen der Monolayer-Graphen und hBN hinweist. Höhere Auflösungsbilder zeigten feinere Details, die mit dem zugrunde liegenden atomaren Gitter von Graphen übereinstimmten.

Wir haben auch das Verhalten von tBG untersucht und festgestellt, dass die Variation der vertikalen Lastkraft erheblichen Einfluss auf den Kontrast der Moiré-Muster hatte. Wir begannen bei sehr niedrigen Kräften und erhöhten die Kraft allmählich, bis wir einen optimalen Kontrast im Moiré-Muster sahen.

#Abbildung von subsurface Moiré-Mustern

TFM ermöglichte uns auch, subsurface Merkmale in unseren Proben zu untersuchen. Indem wir die Kraft schrittweise anpassten, konnten wir verschiedene Moiré-Muster aufdecken, die entweder mit der tBG-Schicht oder einer darunter liegenden hBN-Schicht übereinstimmten.

Für eine spezifische Struktur beobachteten wir zwei verschiedene Moiré-Perioden bei unterschiedlichen Kräften. Die erste Moiré-Periode von 14,1 nm stammt wahrscheinlich aus der tBG-Schicht, während eine niedrigere Periode von 9,35 nm auf Moiré aus der Wechselwirkung zwischen Graphen und hBN-Schichten hindeutet. Diese Fähigkeit, subsurface Schichten abzubilden, fügt eine einzigartige Dimension zu unserem Verständnis hinzu, wie diese Materialien interagieren.

#Fazit

TFM ist eine leistungsstarke Technik für die nicht-destruktive Abbildung von Moiré-Superlattices und atomaren Gittern in van-der-Waals-Materialien. Sie funktioniert unter normalen Bedingungen und ermöglicht es uns, strukturelle Informationen schnell zu erhalten, was entscheidend ist, um die Synthese dieser modernen Materialien zu verbessern. Durch die Bestimmung der Drehwinkel und das Kartieren ihrer Variationen eröffnet TFM neue Möglichkeiten für die Forschung in der grundlegenden und angewandten Wissenschaft im Bereich der Materialien.

Insgesamt stellt die Torsionale Kraftmikroskopie einen bedeutenden Fortschritt in unserer Fähigkeit dar, die elektronischen Eigenschaften von Schichtmaterialien zu untersuchen und zu manipulieren. Wenn wir vorankommen, wird die kontinuierliche Entwicklung und Verfeinerung dieser Technik zweifellos zu aufregenden neuen Entdeckungen im Bereich der fortschrittlichen Materialwissenschaften führen.