Avancées dans la microscopie de force de torsion pour les motifs Moiré

Dans une pile de couches très fines faites de certains matériaux, en tordant les couches à des angles spécifiques, ça crée un motif appelé un super réseau moiré. La taille de ce motif dépend de combien les couches sont tordues. Même de petits changements dans l'angle de torsion peuvent changer les propriétés électriques du matériau. Donc, connaître l'angle de torsion exact et comment il varie à travers la pile est super important.

Trouver un moyen de fixer un angle de torsion précis dans ces piles est un défi. Les méthodes actuelles qui peuvent imager ces motifs moirés nécessitent souvent un équipement complexe, une préparation d'échantillons extensive, ou les deux. Dans ce travail, on explore une technique appelée Microscopie par Force Torsionnelle (TFM). C'est une méthode de sonde à balayage qui peut détecter des changements de friction à la surface. Elle nous permet de voir à la fois la structure de la surface et les fines couches juste en dessous de la surface des stacks de Van der Waals (VdW).

Avec la TFM, on peut regarder différents motifs faits par les couches de graphène et d'azoture hexagonal (hBN) et même voir la structure atomique de ces matériaux. La façon dont fonctionne la TFM, c'est en tordant un cantilever d'AFM (microscope à force atomique). Ce mouvement est soigneusement contrôlé tout en maintenant une force constante contre la surface de l'échantillon. La technique fonctionne dans des conditions normales à température ambiante et ne nécessite pas de biais électrique. Ça la rend utile pour plein de types d'échantillons.

Notre but, c'est de pouvoir trouver des informations structurelles importantes, y compris les Angles de torsion et la déformation dans les motifs moirés, ainsi que l'orientation cristalline des matériaux VdW pour aider à développer des moyens prévisibles de créer ces structures.

#L'Importance des Super Réseaux Moirés

Les propriétés électroniques des matériaux peuvent être altérées de manière significative par l'agencement des atomes à l'intérieur. Par exemple, quand deux couches de graphène sont tordues à un angle spécifique, elles peuvent former un super réseau moiré. La description de cet agencement est connue sous le nom d'angle de torsion. Les chercheurs ont découvert qu'en utilisant cette technique de torsion, on peut débloquer de nouveaux moyens de changer le comportement électrique des matériaux.

Des études récentes sur des couches jumelées de graphène (souvent appelées graphène bilayer à angle magique, ou tBG) ont montré des comportements intéressants. Ces couches peuvent montrer des états électroniques uniques, de la supraconductivité, et même des effets comme le ferromagnétisme orbital, en fonction de l'angle de torsion et des types de matériaux utilisés. Cependant, parvenir à un contrôle constant sur l'angle de torsion et s'assurer qu'il reste uniforme à travers l'échantillon est assez difficile. Il faut développer des moyens fiables d'imager ces super réseaux moirés pour aider les chercheurs à améliorer la création et l'étude de ces matériaux avancés.

#Objectifs de la Microscopie par Force Torsionnelle

La TFM vise à fournir un moyen rapide et efficace d'observer les motifs moirés à différentes échelles. Voici quelques capacités clés que l'on veut pour cette technique :

1. Imagerie au Niveau des Cellules Unités Individuelles : On veut pouvoir voir des détails allant du nanomètre au micromètre.
2. Imagerie de Grandes Zones : La technique devrait pouvoir imager des zones plus larges, comme plusieurs microns de large.
3. Imagerie Sous-Superficielle : Elle devrait aussi nous permettre de regarder des caractéristiques sous la surface.
4. Imagerie de la Maille Atomique : La TFM devrait fournir une imagerie au niveau atomique des matériaux VdW.

#Comparaison Avec D'autres Techniques

Différentes techniques ont été utilisées pour imaginer des motifs moirés, mais beaucoup ont leurs limites. Certaines nécessitent des conditions spéciales comme des températures super basses ou des environnements à vide élevé, ce qui les rend moins pratiques pour une analyse rapide.

L'AFM conducteur peut fournir une imagerie au niveau atomique, mais il a besoin d'un échantillon conducteur. L'AFM en mode tapping standard atteint une bonne résolution mais a souvent du mal à visualiser des structures complexes comme le tBG. La Microscopie à Impédance par Micro-ondes (s-MIM) peut fonctionner dans des conditions normales mais ne résout pas les mailles atomiques, et la Microscopie par Force Latérale (LFM) est proche de montrer le plus de promesse mais ne résout toujours pas les motifs subsuperficiels.

Une autre méthode, la Microscopie par Force de Piezoréponse (PFM), a montré du succès dans le traçage des motifs moirés mais a aussi des inconvénients, comme le besoin d'une boucle électrique et le risque d'endommagement des matériaux mous. Contrairement à ces méthodes, la TFM se concentre sur la détection des changements de friction dynamique et peut fonctionner sans contact électrique direct entre la pointe et l'échantillon.

#Comment Fonctionne la Microscopie par Force Torsionnelle

La TFM utilise un cantilever AFM spécialisé avec la capacité de se tordre. En appliquant une tension spécifique aux dispositifs piézoélectriques attachés au cantilever, on peut exciter un mouvement torsionnel. De cette manière, on peut détecter comment le cantilever se déplace quand sa pointe interagit avec la surface de l'échantillon.

Le fonctionnement de la TFM peut être divisé en deux tâches principales. D'abord, on doit maintenir une force de chargement verticale constante pendant que la pointe scanne la surface. C'est similaire à ce qui se fait dans l'imagerie AFM traditionnelle. La deuxième partie consiste à surveiller le mouvement torsionnel du cantilever et comment il réagit à différentes caractéristiques sur l'échantillon.

Le principal avantage de la TFM, c'est sa capacité à fournir des informations sur les motifs moirés et la structure atomique sous-jacente sans nécessiter une préparation d'échantillon extensive. C'est crucial pour étudier la relation entre la structure et les propriétés électroniques.

#Résultats Clés sur les Motifs Moirés

Dans nos expériences, on a utilisé la TFM pour étudier une structure commune faite de graphène et de hBN et on a réussi à imager à la fois la maille atomique et les motifs moirés. En ajustant soigneusement la force verticale et l'amplitude du mouvement torsionnel pendant l'imagerie, on a pu révéler différents motifs correspondant aux arrangements atomiques des matériaux.

Par exemple, on a cartographié un motif moiré avec une période de 2,6 nm, indiquant un angle de torsion relatif de 5,4 degrés entre le graphène monolayer et le hBN. Des images à résolution plus élevée ont montré des détails plus fins qui correspondent à la maille atomique sous-jacente du graphène.

On a aussi examiné le comportement du tBG et trouvé que varier la force de chargement verticale affectait significativement le contraste des motifs moirés. En partant de forces très faibles, on a progressivement augmenté la force jusqu'à ce qu'on voie un contraste optimal dans le motif moiré.

#Imagerie des Motifs Moirés Sous-Superficiels

La TFM nous a aussi permis d'explorer des caractéristiques subsuperficielles dans nos échantillons. En ajustant la force progressivement, on pouvait révéler différents motifs moirés correspondant soit à la couche tBG, soit à une couche hBN sous-jacente.

Pour une structure spécifique, on a observé deux périodes moirées différentes à des forces différentes. La première période moirée de 14,1 nm provenait probablement de la couche tBG, tandis qu'une période plus basse de 9,35 nm indiquait un moiré provenant de l'interaction entre les couches de graphène et de hBN. Cette capacité à imager les couches subsuperficielles ajoute une dimension unique à notre compréhension de comment ces matériaux interagissent.

#Conclusion

La TFM est une technique puissante pour l'imagerie non destructive des super réseaux moirés et des mailles atomiques dans les matériaux de van der Waals. Elle fonctionne dans des conditions normales, permettant d'obtenir rapidement des informations structurelles, ce qui est crucial pour améliorer la synthèse de ces matériaux avancés. En déterminant les angles de torsion et en cartographiant leurs variations, la TFM ouvre de nouvelles possibilités pour la recherche tant dans la science fondamentale que dans la science appliquée dans le domaine des matériaux.

Dans l'ensemble, la Microscopie par Force Torsionnelle représente une avancée significative dans notre capacité à étudier et à manipuler les propriétés électroniques des matériaux stratifiés. À mesure que nous avançons, le développement et le perfectionnement continus de cette technique mèneront sans aucun doute à de nouvelles découvertes passionnantes dans le domaine de la science des matériaux avancés.