[論文レビュー] High resolution imaging of reconstructed domains and moire patterns in functional van der Waals heterostructure devices

Andrey Sushko, Kristiaan De Greve+9 more|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2019

Graphene research and applications参考文献 30被引用数 15

ひとこと要約

本研究では、標準的なSi基板上に作製された機能的van der Waalsヘテロ構造デバイスにおいて、原子積層構造およびモアレ超格子を非破壊的に直接画像化する二次電子顕微鏡法を提案する。この手法により、遷移金属ジ chalcogenides における再構成モアレパターン、グラフェン多層膜の積層順序、およびバイレイヤー・グラフェンにおけるAB/BA境界を高分解能で可視化でき、局所的な構造と電子的・光学的性質を直接相関付けることが可能となる。

ABSTRACT

The optical and electronic properties of van der Waals (vdW) heterostructures depend strongly on the atomic stacking order of the constituent layers. This is exemplified by periodic variation of the local atomic registry, known as moire patterns, giving rise to superconductivity and ferromagnetism in twisted bilayer graphene and novel exciton states in transition metal dichalcogenides (TMD) heterobilayers. However, the presence of the nanometer-scale moire superlattices is typically deduced indirectly, because conventional imaging techniques, such as transmission electron microscopy (TEM), require special sample preparation that is incompatible with most optical and transport measurements. Here, we demonstrate a method that uses a secondary electron microscope to directly image the local stacking order in fully hexagonal boron nitride (hBN) encapsulated, gated vdW heterostructure devices on standard Si-substrates. Using this method, we demonstrate imaging of reconstructed moire patterns in stacked TMDs, ABC/ABA stacking order in graphene multilayers, and AB/BA boundaries in bilayer graphene. Furthermore, we show that the technique is non-destructive, thus unlocking the possibility of directly correlating local stacking order with optical and electronic properties, crucial to the development of vdW heterostructure devices with precisely controlled functionality.

研究の動機と目的

• 機能的van der Waalsヘテロ構造デバイスにおける局所的原子積層構造を、破壊的試料準備を伴わず直接画像化する非破壊的手法の開発。
• 電気的・光学的測定と不適合な破壊的試料準備を要する従来のTEMなどのイメージング技術の限界を克服すること。
• van der Waalsヘテロ構造における局所的積層構造と電子的または光学的性質との直接相関を可能とすること。
• 実デバイスにおける再構成モアレパターンや積層ドメイン境界といった複雑な構造的特徴を可視化すること。

提案手法

• 標準的なSi基板上に完全に六方窒化ホウ素（hBN）で封止され、ゲート付きのvan der Waalsヘテロ構造デバイスを用いた二次電子顕微鏡（SEM）の応用。
• 2次電子発生の内在的感度が2次元材料における局所的原子レジストリと積層構造に依存することを活用。
• SEMの高い空間分解能を活かし、試料の剥離や真空移動を要せず、ナノスケールのモアレ超格子を解像。
• 大気中条件下でのイメージングを実施し、その後の電気的・光学的特性評価に適したデバイスの機能を保持。
• 2次電子発生のコントラスト変化に基づき、積層ドメインおよびモアレパターンをマップ。
• グラフェンおよび遷移金属ジ chalcogenide ヘテロ構造における既知の積層構成と照合して結果を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 破壊的試料準備を伴わず、二次電子顕微鏡が機能的van der Waalsヘテロ構造デバイスにおける局所的積層構造を解像可能か？
• RQ2 この非破壊的手法を用いて、実デバイスにおけるモアレ超格子および再構成ドメインをどの程度正確にイメージングできるか？
• RQ3 観察された2次電子発生のコントラストは、特定の原子積層構造にどの程度相関づけられるか？
• RQ4 この技術は、多層グラフェンにおけるABC/ABAやバイレイヤー・グラフェンにおけるAB/BAといった異なる積層構造を区別できるか？
• RQ5 この手法は、非破壊的イメージング後の電気的・光学的測定と、機能デバイスで併用可能か？

主な発見

• 本手法により、ナノスケール分解能で積層された遷移金属ジ chalcogenide における再構成モアレパターンを成功裏に可視化した。
• 2次電子発生における明著なコントラスト変化により、多層グラフェンにおけるABCおよびABA積層順序を明確に特定可能であった。
• バイレイヤー・グラフェンにおけるABおよびBA積層境界が直接画像化され、特徴的なコントラストシグネチャを持つドメイン境界の存在が確認された。
• 本手法は非破壊的であり、その後の電気的・光学的測定に適したデバイスの完全性を保持した。
• 特殊な試料準備や真空移動を要せず、標準的なSi基板上でも高分解能イメージングが達成された。
• 画像化された積層構造と機能的デバイス特性との直接相関が可能となり、デバイス設計の新たな道筋が開かれた。