利用原子力显微镜对二维异质结构上莫列波纹的研究

Vladimir Korolkov, Ilka M. Hermes

Park Systems UK Ltd, MediCity, Nottingham, UK.

Park Systems Europe GmbH, Mannheim, Germany

自2004年石墨烯被发现具有开创性的特性后，二维材料在纳米电子学、柔性光电子学和电化学储能等领域都拓展了它的应用前景，并得到了广泛的研究。为了获得更广泛的材料特性，并且应用到相应的各个应用领域，研究人员在一个称为Twistronics的新研究领域中研究了不同二维材料相互叠置的范德华异质结构。他们发现，由于材料的不同周期性和两层之间的轻微扭曲角，这种超晶格出现，其特征是比原始单层具有更大的周期性。

这些超晶格是莫列波纹。基本上，莫列波纹是一种干涉波纹，通过叠加类似但略有偏移的周期结构而获得（图1）。对于二维材料，这种波纹既可以发生在微压范德华异质结构中，也可以发生在通过等离子体增强化学气相沉积（CVD）或分子束外延（MBE）生长的层中。

Figure 1: 叠加并使两个周期结构存在2.5°扭转角的莫列波纹 

将莫列波纹的周期性与超导性、铁磁性或导电拓扑通道等材料特性联系起来并加以调整，莫列波纹的精确成像对于范德华异质结构的研究和未来工业应用至关重要。原子力显微镜（AFM）是一种真实空间、高分辨率的成像技术，它不仅可以通过样品成像捕获样品表面的超晶格，而且可以实现莫列波纹的可视化机电响应。因为莫列波纹上典型的波纹变化高度约为10–50 pm，其可视化要求AFM在所有主要成像模式下具有低噪声性能。特别是对莫列波纹进行接触模式成像是任何原子力显微镜的基准噪声测试。

在这里，我们将展示Park Systems公司的大样品NX20 原子力显微镜如何在石墨烯/ hBN （六角氮化硼）范德华异质结构上解析从11到15nm具有不同周期的莫列波纹。

在这个例子中，我们在 hBN 单晶片的顶部使用了一个微冲压石墨烯层。这种样品通常在样品表面上显示皱纹和气泡，以及显示莫列波纹的需要平坦区域 （图2和图3）。

图2：堆叠在hBN薄片顶部的石墨烯薄片的光学显微镜图像，具有石墨烯形貌的高度图像。样品提供： Dr. Ziwei Wang, The University of Manchester 

这些莫列波纹已成功地在接触和轻敲模式下成像。轻敲模式图像清晰地显示了微压石墨烯的三个主要特征：皱纹、气泡和不同的莫列波纹（I-III）。这些变化的莫列波纹来源于石墨烯和hBN的原子晶格之间的微小角度不匹配，这种不匹配发生在微冲压过程中。

图3：石墨烯/hBN的两个不同区域显示莫列波纹。在接触模式（a）和轻敲模式（b）下成像。莫列波纹的周期分别为11.2nm（a）和14.5nm（Ib），12.4nm（IIb）和10.9nm（IIb）。

总结

通过在接触和轻敲模式下，通过对石墨烯/hBN异质结构上的莫列波纹的分析，我们证明了大样品NX20原子力显微镜具有高分辨率、低噪声成像的能力，这是对堆叠二维材料超晶格精确表征所需的能力。因此，我们的结果突出了Park Systems原子力显微镜的潜力，以促进 Twistronics在学术和工业研究领域的发展。

Source

1.         Novoselov, K. S. et al. Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films. Science (80-. ). 306, 666 LP – 669 (2004).

2.         Kim, S. J., Choi, K., Lee, B., Kim, Y. & Hong, B. H. Materials for Flexible, Stretchable Electronics: Graphene and 2D Materials. Annu. Rev. Mater. Res. 45, 63–84 (2015).

3.         Carr, S. et al. Twistronics: Manipulating the electronic properties of two-dimensional layered structures through their twist angle. Phys. Rev. B 95, 75420 (2017).

4.         He, F. et al. Moiré Patterns in 2D Materials: A Review. ACS Nano (2021). doi:10.1021/acsnano.0c10435

5.         McGilly, L. J. et al. Visualization of moiré superlattices. Nat. Nanotechnol. 15, 580–584 (2020).

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