Avanços na Microscopia de Força Torcional para Padrões Moiré

Em uma pilha de camadas muito finas feitas de certos materiais, torcer as camadas em ângulos específicos cria um padrão chamado super rede moiré. O tamanho desse padrão depende de quanto as camadas são torcidas. Até pequenas mudanças no ângulo de torção podem mudar muito as propriedades elétricas do material. Por isso, saber o ângulo exato de torção e como ele varia na pilha é super importante.

Encontrar uma maneira de definir um ângulo de torção preciso nessas pilhas é um desafio. Os métodos atuais que conseguem visualizar esses padrões moiré muitas vezes exigem equipamentos complexos, preparação extensa de amostras, ou os dois. Neste trabalho, investigamos uma técnica chamada Microscopia de Força Torcional (TFM). Esse é um método de sonda de varredura que pode detectar mudanças no atrito na superfície. Ele nos permite ver tanto a estrutura da superfície quanto as camadas finas logo abaixo da superfície de pilhas de Van Der Waals (VdW).

Usando a TFM, conseguimos observar diferentes padrões formados pelas camadas de grafeno e nitreto de boro hexagonal (hBN) e até ver a estrutura atômica desses materiais. O funcionamento da TFM se dá torcendo um cantelever de AFM (microscópio de força atômica). Esse movimento é cuidadosamente controlado enquanto mantemos uma força constante contra a superfície da amostra. A técnica opera em condições normais à temperatura ambiente e não requer polarização elétrica. Isso a torna útil para muitos tipos diferentes de amostras.

Nossa meta é conseguir encontrar informações estruturais importantes, incluindo os Ângulos de Torção e a tensão nos padrões moiré, assim como a orientação cristalina dos materiais VdW para ajudar a desenvolver maneiras previsíveis de criar essas estruturas.

#A Importância das Super Redes Moiré

As propriedades eletrônicas dos materiais podem ser alteradas de maneira significativa pela disposição dos átomos dentro deles. Por exemplo, quando duas camadas de grafeno são torcidas em um ângulo específico, podem formar uma super rede moiré. A descrição dessa disposição é conhecida como ângulo de torção. Pesquisadores descobriram que usar essa técnica de torção pode desbloquear novas maneiras de mudar como os materiais se comportam eletricamente.

Estudos recentes de camadas gêmeas de grafeno (frequentemente chamadas de grafeno em bilayer torcido em ângulo mágico, ou tBG) mostraram comportamentos empolgantes. Essas camadas podem exibir estados eletrônicos únicos, supercondutividade e até efeitos como ferromagnetismo orbital, dependendo do ângulo de torção, assim como dos tipos de materiais usados nas camadas. No entanto, alcançar um controle consistente sobre o ângulo de torção e garantir que ele permaneça uniforme pela amostra é bem difícil. Maneiras confiáveis de visualizar essas super redes moiré precisam ser desenvolvidas para ajudar os pesquisadores a melhorar como criam e estudam esses materiais avançados.

#Objetivos da Microscopia de Força Torcional

A TFM tem como objetivo fornecer uma maneira rápida e eficaz de observar padrões moiré em várias escalas. Há várias capacidades chave que queremos que essa técnica tenha:

1. Imagem no Nível de Células Unitárias Individuais: Queremos conseguir ver detalhes que vão de nanômetros a micrômetros.
2. Imagem de Grandes Áreas: A técnica deve conseguir visualizar áreas maiores, como várias micras de largura.
3. Imagem Subsuperficial: Também deve nos permitir olhar características abaixo da superfície.
4. Imagem de Rede Atômica: A TFM deve fornecer imagens em nível atômico de materiais VdW.

#Comparação com Outras Técnicas

Várias técnicas foram usadas para visualizar padrões moiré, mas muitas têm limitações. Algumas requerem condições especiais como temperaturas super baixas ou ambientes de vácuo alto, tornando-as menos práticas para análises rápidas.

AFM condutivo pode fornecer imagens em nível atômico, mas precisa de uma amostra condutiva. AFM em modo de batida padrão consegue boa resolução, mas muitas vezes luta para visualizar estruturas complexas como tBG. Microscopia de Impedância por Micro-ondas (s-MIM) pode funcionar em condições normais, mas não resolve redes atômicas, e Microscopia de Força Lateral (LFM) está perto de mostrar mais promessas, mas ainda carece de resolução de padrões subsuperficiais.

Outro método, Microscopia de Força Piezoresponsiva (PFM), mostrou sucesso em mapear padrões moiré, mas também tem desvantagens, como precisar de um loop elétrico e risco de danificar materiais macios. Diferente desses métodos, a TFM foca em detectar mudanças no atrito dinâmico e pode operar sem contato elétrico direto entre a ponta e a amostra.

#Como Funciona a Microscopia de Força Torcional

A TFM usa um cantelever de AFM especializado com a capacidade de torcer. Aplicando uma voltagem específica em dispositivos piezoelétricos acoplados ao cantelever, conseguimos excitar o movimento torcional. Dessa forma, podemos detectar como o cantelever se move quando sua ponta interage com a superfície da amostra.

O funcionamento da TFM pode ser dividido em duas tarefas principais. Primeiro, precisamos manter uma força de carga vertical constante enquanto a ponta varre a superfície. Isso é semelhante ao que é feito em imagens tradicionais de AFM. A segunda parte envolve monitorar o movimento torcional do cantelever e como ele responde a diferentes características na amostra.

A principal vantagem da TFM é sua capacidade de fornecer informações sobre tanto o padrão moiré quanto a estrutura atômica subjacente sem precisar de preparação extensa da amostra. Isso é crucial para estudar a relação entre estrutura e propriedades eletrônicas.

#Descobertas Chave em Padrões Moiré

Em nossos experimentos, usamos a TFM para estudar uma estrutura comum feita de grafeno e hBN e conseguimos gerar imagens tanto da rede atômica quanto dos padrões moiré. Ao ajustar cuidadosamente a força vertical e a amplitude do movimento torcional durante a imagem, conseguimos revelar diferentes padrões correspondentes às disposições atômicas dos materiais.

Por exemplo, mapeamos um padrão moiré com um período de 2.6 nm, indicando um ângulo de torção relativo de 5.4 graus entre o grafeno monolayer e o hBN. Imagens de maior resolução mostraram detalhes mais finos que correspondem à rede atômica subjacente do grafeno.

Também examinamos o comportamento do tBG e descobrimos que variar a força de carga vertical afetava significativamente o contraste dos padrões moiré. Começando com forças muito baixas, aumentamos gradualmente a força até vermos um contraste ótimo no padrão moiré.

#Imagens de Padrões Moiré Subsuperficiais

A TFM também nos permitiu investigar características subsuperficiais em nossas amostras. Ao ajustar a força de forma incremental, conseguimos revelar diferentes padrões moiré que correspondiam à camada de tBG ou a uma camada subjacente de hBN.

Para uma estrutura específica, observamos dois períodos moiré diferentes em forças distintas. O primeiro período moiré de 14.1 nm provavelmente se originou da camada de tBG, enquanto um período menor de 9.35 nm indicou moiré da interação entre as camadas de grafeno e hBN. Essa capacidade de visualizar camadas subsuperficiais acrescenta uma dimensão única à nossa compreensão de como esses materiais interagem.

#Conclusão

A TFM é uma técnica poderosa para imagem não destrutiva de super redes moiré e redes atômicas em materiais de van der Waals. Ela opera sob condições normais, permitindo que obtenhamos informações estruturais rapidamente, o que é crucial para melhorar a síntese desses materiais avançados. Ao determinar os ângulos de torção e mapear suas variações, a TFM abre novas possibilidades para pesquisa tanto na ciência fundamental quanto aplicada no campo dos materiais.

No geral, a Microscopia de Força Torcional representa um avanço significativo na nossa capacidade de estudar e manipular as propriedades eletrônicas de materiais em camadas. À medida que avançamos, o desenvolvimento contínuo e o aprimoramento dessa técnica com certeza levarão a novas descobertas empolgantes no âmbito da ciência de materiais avançados.