[논문 리뷰] High resolution imaging of reconstructed domains and moire patterns in functional van der Waals heterostructure devices

Andrey Sushko, Kristiaan De Greve외 9명|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 16.

Graphene research and applications참고 문헌 30인용 수 15

한 줄 요약

이 연구는 표준 Si 기반 기판 위의 功能적 반데르발스 헤테로구조 장치에서 원자 배열 순서와 모리에 수반된 초격자 구조를 직접 이미징하기 위해 파괴적이지 않은 2차 전자 현미경 기법을 도입한다. 이 방법은 전이 금속 디칼코겐화합물에서 재구성된 모리에 패턴, 그래핀 다층 구조물의 배열 순서, 이중층 그래핀에서의 AB/BA 경계를 고해상도로 시각화할 수 있으며, 국소적 구조와 전자적·광학적 성질 간의 직접적 연관성을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기능적 반데르발스 헤테로구조 장치에서 국소적 원자 배열 순서를 파괴적이지 않은 방법으로 직접 이미징하기 위한 기법 개발.
• 전자현미경(TEM)과 같은 전통적 이미징 기법의 한계를 극복하여, 전기적·광학적 측정과 호환되지 않는 파괴적인 시료 준비가 필요 없도록 하는 것.
• 반데르발스 헤테로구조에서 국소적 배열 순서와 전자적 또는 광학적 성질 간의 직접적 연관성을 가능하게 하는 것.
• 실제 장치에서 재구성된 모리에 패턴과 배열 영역 경계와 같은 복잡한 구조적 특징을 시각화하는 것.

제안 방법

• 표준 Si 기반 기판 위에 완전히 헥사곤형 밀리드질라이드(hBN)로 둘러싸인 게이팅된 반데르발스 헤테로구조 장치에 2차 전자 현미경(SEM)을 적용.
• 2차 전자 방출의 내재된 민감도를 이용해 2차원 물질에서 국소적 원자 정렬과 배열 순서에 대한 민감도를 활용.
• SEM의 높은 공간 해상도를 활용해 시료를 갈라내거나 진공 이송 없이 나노스케일의 모리에 수반된 초격자를 해상도 있게 분석.
• 대기 조건에서 이미징을 수행하여 장치의 기능을 유지하고 이후 전기적·광학적 특성 분석을 가능하게 함.
• 2차 전자 방출의 대trast 변화를 이용해 배열 영역과 모리에 패턴을 매핑.
• 그래프렌 및 전이 금속 디칼코겐화합물 헤테로구조에서 알려진 배열 구조와의 비교를 통해 결과를 검증.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2차 전자 현미경은 파괴적인 시료 준비 없이 기능적 반데르발스 헤테로구조 장치에서 국소적 배열 순서를 해상도 있게 분석할 수 있는가?
• RQ2 이 비파괴적 방법을 사용할 때, 실장치에서 모리에 수반된 초격자 및 재구성된 영역이 얼마나 정확하게 이미징될 수 있는가?
• RQ3 2차 전자 방출에서 관측된 대비는 특정 원자 배열 구조와 얼마나 잘 연관될 수 있는가?
• RQ4 이 기법은 다층 그래핀에서의 ABC/ABA 배열과 이중층 그래핀에서의 AB/BA 배열과 같은 서로 다른 배열 순서를 구분할 수 있는가?
• RQ5 이 방법은 기능성 장치에서 이미징 이후 전기적·광학적 측정과 호환되는가?

주요 결과

• 이 방법은 나노스케일 해상도로 다층 전이 금속 디칼코겐화합물에서 재구성된 모리에 패턴을 성공적으로 시각화하였다.
• 2차 전자 방출에서의 명확한 대비 변화를 통해 다층 그래핀에서 ABC 및 ABA 배열 순서를 명확히 식별할 수 있었다.
• 이중층 그래핀에서의 AB 및 BA 배열 경계가 직접적으로 이미징되었으며, 특징적인 대비 서명을 가진 영역 경계가 존재하는 것으로 확인되었다.
• 이 기법은 비파괴적이며, 이후 전기적·광학적 측정을 위한 장치의 무결성을 유지한다.
• 특수한 시료 준비나 진공 이송 없이도 표준 Si 기반 기판에서 고해상도 이미징을 성공적으로 구현하였다.
• 이미징된 배열 순서와 기능성 장치 성질 간의 직접적 연관성이 이제 가능해졌으며, 이는 장치 설계의 새로운 길을 열어준다.