[论文解读] 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 18

一句话总结

本研究利用环境条件下扫描微波阻抗显微镜（SMPM）实现了石墨烯基异质结中摩尔晶格与超结构的超高分辨率纳米成像。尽管探针尖端半径约为100 nm，该技术在局部电导率分布中实现了亚5 nm的空间分辨率，可直接观测魔角扭曲双层石墨烯中的摩尔图案及复杂超摩尔结构，为设计人工摩尔超晶格开辟了新途径。

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.

研究动机与目标

• 实现二维异质结中摩尔晶格与超结构的前所未有的空间分辨率纳米成像。
• 通过提升空间分辨率以超越探针尖端尺寸，克服传统扫描探针显微镜的固有分辨率限制。
• 实现对扭曲石墨烯与六方氮化硼形成的摩尔超晶格中电子结构调制的定量分析。
• 提供一种实用的、适用于环境条件的方法，无需低温或超高真空环境，用于研究二维范德华异质结中的摩尔物理。
• 探索通过可控堆叠与应变工程，设计新型人工摩尔超结构（如凯文格子结构）的潜力。

提出的方法

• 采用超高分辨率扫描微波阻抗显微镜（SMPM）装置，实现亚5 nm空间分辨率的局部电导率测绘。
• 在环境条件下实施SMPM，消除对真空或低温环境的需求。
• 使用名义半径约为100 nm的导电原子力显微镜（c-AFM）探针，通过先进的信号处理与探针-样品相互作用建模，实现有效分辨率低于5 nm。
• 将该技术应用于多种石墨烯基异质结，包括扭曲双层石墨烯以及具有多个错位晶格矢量的石墨烯/hBN异质结。
• 利用微波频率响应中的相位与振幅信号，提取纳米尺度的局部阻抗与电导率变化。
• 通过分析周期性电导率调制，识别摩尔超结构及其周期性，包括复合型与超调制图案。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管探针半径约为100 nm，扫描微波阻抗显微镜能否在局部电导率测量中实现亚5 nm的空间分辨率？
• RQ2 在环境条件下，扭曲石墨烯与六方氮化硼异质结中的摩尔晶格与超结构如何在纳米尺度电导率图中显现？
• RQ3 多个晶格错位与应变场之间的相互作用在多大程度上可产生可被SMPM探测到的复杂超摩尔图案？
• RQ4 所观测到的分辨率增强是否可用于设计与表征人工摩尔超结构（如凯文格子结构）？
• RQ5 环境条件在保持SMPM测量在二维范德华异质结中分辨率与信号保真度方面起到何种作用？

主要发现

• SMPM技术在局部电导率分布中实现了优于5 nm的空间分辨率，显著超过约100 nm的探针尖端半径。
• 成功在环境条件下直接成像了魔角扭曲双层石墨烯中的摩尔晶格。
• 高保真度地可视化了石墨烯/hBN异质结中由多个错位晶格矢量形成的复合超摩尔晶格。
• 该方法揭示了由异质结中非均匀应变分布引起的超调制电导率图案。
• 该技术为通过可控堆叠与应变工程实现新型摩尔超结构（如凯文格子结构）的人工设计与表征提供了可能。
• 结果表明，环境条件下的SMPM是研究二维材料中摩尔物理定量纳米尺度特性的可行且强大的工具。