[論文レビュー] Ultra-high-resolution imaging of moiré lattices and superstructures using scanning microwave impedance microscopy under ambient conditions

Kyunghoon Lee, M. Iqbal Bakti Utama+14 more|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2020

Electronic and Structural Properties of Oxides参考文献 69被引用数 18

ひとこと要約

本研究では、大気下条件下で走査マイクロ波インピーダンス顕微鏡法（SMPM）を用いて、グラフェンベースのヘテロ構造におけるモアレ格子およびスーパー構造の超高解像度ナノスケールイメージングを実証した。プローブチップの半径が約100 nmであるにもかかわらず、局所的導電率プロファイルにおいて5 nm未満の空間分解能を達成しており、魔法の角度でねじれた二重ビレイヤー・グラフェンにおけるモアレパターンおよび複雑なスーパー・モアレ構造の直接可視化を可能にした。これにより、人工的モアレスーパーラティスの設計に新たな道が開かれた。

ABSTRACT

Two-dimensional heterostructures with layers of slightly different lattice vectors exhibit a new periodic structure known as moire lattices. Moire lattice formation provides a powerful new way to engineer the electronic structure of two-dimensional materials for realizing novel correlated and topological phenomena. In addition, superstructures of moire lattices can emerge from multiple misaligned lattice vectors or inhomogeneous strain distribution, which offers an extra degree of freedom in the electronic band structure design. High-resolution imaging of the moire lattices and superstructures is critical for quantitative understanding of emerging moire physics. Here we report the nanoscale imaging of moire lattices and superstructures in various graphene-based samples under ambient conditions using an ultra-high-resolution implementation of scanning microwave impedance microscopy. We show that, quite remarkably, although the scanning probe tip has a gross radius of ~100 nm, an ultra-high spatial resolution in local conductivity profiles better than 5 nm can be achieved. This resolution enhancement not only enables to directly visualize the moire lattices in magic-angle twisted double bilayer graphene and composite super-moire lattices, but also allows design path toward artificial synthesis of novel moire superstructures such as the Kagome moire from the interplay and the supermodulation between twisted graphene and hexagonal boron nitride layers.

研究の動機と目的

• 未だかつてない空間分解能を実現し、2次元ヘテロ構造におけるモアレ格子およびスーパー構造のナノスケールイメージングを達成すること。
• 従来の走査プローブ顕微鏡の固有の分解能制限を克服し、プローブチップのサイズを超える空間分解能を向上させること。
• ねじれたグラフェンと窒化ホウ素（h-BN）から形成されるモアレスーパーラティスにおける電子構造の変調を定量的分析すること。
• 冷却や超高真空を要しない実用的で大気下条件下で使用可能な方法を提供し、2次元材料におけるモアレ物理学を研究可能にすること。
• 制御された積層と応力誘導を用いて、Kagome格子のような新しい人工的モアレスーパーラティスを設計する可能性を探索すること。

提案手法

• 超高解像度走査マイクロ波インピーダンス顕微鏡法（SMPM）装置を用いて、5 nm未満の空間分解能で局所的導電率をマップすること。
• 真空中や冷却環境を必要としない大気下条件下でのSMPMの実装により、真空または冷却を不要にする。
• 名目上は約100 nmの半径を持つ導電性原子間力顕微鏡（c-AFM）チップを用いながら、高度な信号処理およびチップ-サンプル相互作用モデル化により、実効分解能を5 nm未満に達成すること。
• ねじれた二重ビレイヤー・グラフェンや複数の不整列格子ベクトルを持つグラフェン/h-BNヘテロ構造を含む、さまざまなグラフェンベースヘテロ構造にこの技術を適用すること。
• マイクロ波周波数応答からの位相および振幅信号を用いて、ナノスケールでの局所インピーダンスおよび導電率変動を抽出すること。
• 周期的な導電率変調を分析し、複合的およびスーパー調制されたパターンを含む、モアレスーパー構造およびその周期性を同定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プローブチップの半径が約100 nmであるにもかかわらず、走査マイクロ波インピーダンス顕微鏡法が局所的導電率測定において5 nm未満の空間分解能を達成できるか？
• RQ2 ねじれたグラフェンと窒化ホウ素（h-BN）ヘテロ構造におけるモアレ格子およびスーパー構造が、大気下条件下でナノスケールの導電率マップにどのように現れるか？
• RQ3 複数の格子不整列と応力場の相互作用が、SMPMで検出可能な複雑なスーパー・モアレパターンをどの程度まで生成できるか？
• RQ4 観察された分解能向上を活用して、Kagome格子のような人工的モアレスーパーラティスを設計・特徴付けられるか？
• RQ5 大気下条件が、2次元ファンデルワールスヘテロ構造におけるSMPM測定の分解能および信号忠実度をどの程度維持するか？

主な発見

• SMPM技術は、局所的導電率プロファイルにおいて5 nm未満の空間分解能を達成しており、約100 nmのプローブチップ半径を著しく上回っている。
• 魔法の角度でねじれた二重ビレイヤー・グラフェンにおけるモアレ格子の直接イメージングが、大気下条件下で成功した。
• グラフェン/h-BNヘテロ構造における複数の不整列格子ベクトルから形成される複合的スーパー・モアレ格子が、高い忠実度で可視化された。
• この手法により、ヘテロ構造内の不均一な応力分布に起因するスーパー調制された導電率パターンが明らかになった。
• この技術により、制御された積層と応力工学を用いて、Kagome格子のような新しいモアレスーパーラティスの人工的設計が可能になる。
• 結果として、大気下条件下のSMPMが、2次元材料におけるモアレ物理学の定量的ナノスケール研究に実用的で強力なツールであることが示された。