Nuove strutture periodiche note come reticoli moiré possono essere osservate in eterostrutture bidimensionali (2-D) contenenti strati con vettori reticolari leggermente diversi, che a sua volta può supportare nuovi fenomeni topologici. È quindi importante ottenere immagini ad alta risoluzione di questi reticoli moiré e sovrastrutture per comprendere la fisica emergente. In un nuovo rapporto ora pubblicato in Progressi scientifici , Kyunghoon Lee e un team di scienziati riportano il processo di imaging per visualizzare reticoli moiré e sovrastrutture in campioni a base di grafene in condizioni ambientali utilizzando la microscopia a scansione di impedenza a microonde con implementazione ad altissima risoluzione. Mentre la punta della sonda del dispositivo ha mantenuto un raggio lordo di 100 nm, il team di ricerca ha ottenuto una risoluzione spaziale migliore di 5 nm. Questa configurazione ha consentito la visualizzazione diretta dei reticoli moiré e del supermoiré composito. I ricercatori hanno anche mostrato la sintesi artificiale di nuove sovrastrutture derivanti dall'interazione tra diversi strati.

Fisica topologica e nuovi fenomeni quantistici con reticoli moiré

Eterostrutture bidimensionali composte da strati atomicamente sottili con vettori reticolari leggermente diversi possono formare reticoli moiré con una grande periodicità a causa di un grande disadattamento reticolare o di una torsione di piccolo angolo nella struttura. Tali architetture generano una nuova lunghezza e scale di energia in materiali 2-D impilati per fornire una nuova piattaforma entusiasmante per progettare nuovi fenomeni correlati e fisica topologica nelle eterostrutture di van der Waals. Sovrastrutture di reticoli moiré possono essere formate quando strutture reticolari simili vengono impilate insieme per offrire una flessibilità extra per progettare nuovi fenomeni quantistici. È importante caratterizzare il reticolo moiré e le sovrastrutture in una configurazione del dispositivo per comprendere e controllare la ricca fisica moiré nelle eterostrutture 2-D.

Tradizionalmente questo può essere ottenuto con la microscopia elettronica a trasmissione (TEM), tecniche di microscopia a forza atomica (AFM) e di microscopia a effetto tunnel (STM). Ma la maggior parte dei metodi richiede protocolli di preparazione del campione specializzati che sono in gran parte inadatti all'osservazione di dispositivi funzionali. La microscopia a scansione di impedenza a microonde (sMIM) è uno strumento di imaging moiré alternativo e attraente rispetto ai metodi esistenti, che combina il vantaggio della risoluzione spaziale con l'elevata sensibilità delle proprietà elettriche locali del dispositivo. Lee et al. ha quindi dimostrato un'implementazione ad altissima risoluzione di sMIM, che hanno anche chiamato uMIM per eseguire l'imaging su nanoscala di reticoli moiré e sovrastrutture di vari dispositivi a base di grafene in condizioni ambientali.

Microscopia a scansione di impedenza a microonde ad altissima risoluzione

Utilizzando la sonda per immagini, il team ha rivelato diverse sovrastrutture moiré tra cui una supermodulazione del reticolo moiré e una nuova struttura moiré simile a Kagome derivante dall'interazione tra grafene attorcigliato strettamente allineato e strati esagonali di nitruro di boro (hBN). Tali sovrastrutture moiré possono offrire nuove strade per l'ingegneria dei fenomeni quantistici nelle eterostrutture di van der Waals. Durante gli esperimenti, il team ha utilizzato il microscopio per sondare l'ammettenza del campione di punta complesso locale. L'ammettenza del campione di punta osservata dipendeva dalla conduttività del campione locale e il team ha calcolato i segnali uMIM reali e immaginari (rispettivamente come uMIM-Re e uMIM-Im). Il segnale immaginario era informativo per valutare rapidamente la conduttività locale poiché aumentava in modo monotono con la conduttanza del foglio del campione. Il nuovo metodo di imaging analitico ha fornito una versione a microonde del metodo di microscopia ottica in campo vicino senza aperture. Sebbene a differenza del microscopio a campo vicino, i ricercatori hanno eseguito gli esperimenti in modalità di contatto in cui l'accoppiamento elettromagnetico tra la punta e il campione era altamente localizzato all'apice della punta.

Proof-of-concept con sistemi a base di grafene

Il team ha mostrato la capacità della tecnica di imaging osservando il superreticolo moiré nel grafene a doppio strato ritorto (tDBG). Hanno risolto tre diversi domini nel reticolo moiré tDBG utilizzando segnali distinti per mostrare l'utilità della tecnica per identificare le strutture fini dei reticoli moiré nelle eterostrutture 2-D basate sulla conduttività locale. Per dimostrare la capacità di risoluzione spaziale del metodo, Lee et al. difetti moiré ripresi lungo il reticolo moiré, e ha risolto i difetti con una risoluzione inferiore a 5 nm. Questo metodo ha superato altri microscopi ottici per campo vicino.

Gli scienziati hanno poi mostrato l'applicabilità universale del metodo per risolvere le strutture moiré in una varietà di sistemi a base di grafene. Per esempio, la tecnica ha facilitato le osservazioni moiré in campioni di grafene/hBN monostrato cresciuti epitassialmente (nitruro di boro esagonale), sintetizzato mediante deposizione chimica in fase vapore potenziata con plasma standard. Il metodo ha anche risolto i domini triangolari nel grafene a tre strati ritorto (tTG) e nel grafene a doppio strato ritorto (tDBG). Oltre ai tradizionali reticoli moiré, il metodo microscopico ad altissima sensibilità ha anche consentito l'imaging di sovrastrutture moiré da tre reticoli sottostanti con vettori reticolari diversi, come il grafene a doppio strato ritorto su nitruro di boro esagonale (BG/BG/hBN). Sebbene tali eterostrutture siano state precedentemente acquisite con tecniche convenzionali, restano da osservare in condizioni ambientali. Le immagini topografiche hanno mostrato modifiche della struttura moiré, che può portare a uno spettro elettronico modificato che alla fine potrebbe dover essere incluso nei calcoli teorici della struttura elettronica del materiale.

Indagare su altre sovrastrutture moiré

Lee et al. ha quindi utilizzato il metodo per studiare altre sovrastrutture moiré con proprietà fisiche desiderabili. Ad esempio, il reticolo di Kagome ha attirato notevole attenzione come piattaforma per lo studio della fisica di Hubbard a causa della presenza di bande piatte e fasi quantistiche e magnetiche esotiche. Però, I cristalli reticolari di Kagome sono relativamente rari in natura, mentre possono essere simulati tramite un superreticolo ottico nella ricerca sugli atomi ultrafreddi. Il team ha quindi sviluppato un superreticolo moiré simile a Kagome allo stato solido in sistemi BG/BG/hBN (grafene a doppio strato intrecciato su nitruro di boro esagonale) e ha visualizzato uno speciale composito moiré tramite la tecnica di imaging. Gli scienziati hanno esaminato in dettaglio la struttura risultante e l'hanno confrontata con la struttura prevista di un reticolo Kagome ideale.

Veduta

In questo modo, Kyunghoon Lee e colleghi hanno ampiamente dimostrato l'uso di un microscopio a scansione di impedenza a microonde (sMIM) ad altissima risoluzione come semplice, metodo ad alta produttività e non invasivo per caratterizzare superreticoli e sovrastrutture moiré compresi i difetti moiré. Il team ha anche personalizzato i superreticoli Kagome in pile multistrato di eterostrutture van der Waals a base di grafene. La tecnica di imaging superiore fornirà una migliore comprensione dei percorsi di progettazione dell'eterostruttura per studiare la loro correlazione con i fenomeni quantistici nelle sovrastrutture moiré avanzate.

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