探针结构方式材料异质工程(探针薄片材料结构异质)

麻烦看官老爷们右上角点击一下“关注”，既方便您进行讨论和分享，又能给您带来不一样的参与感，感谢您的支持!文|楠猫编辑|楠猫如今，科学家们正在尝试寻找一种更快速、简便和经济的方法来研究二维材料的性能，特别是在构建范德瓦尔斯异质结构方面
正是为了满足这一需求，一个名为微针探针系统的新技术出现了
这项技术利用光学显微镜下的微针连接到精确的xyz操作器上，可以对分层的二维材料薄片进行光刻、操作和焊接剥离
这代表着科学家们可以使用微针探针来轻松刮削薄片、移动、旋转以及剥离它们，帮助构建出各种不同的范德瓦尔斯异质结构
介绍在微米尺度上刮削薄片可以形成特定形状，移动、旋转、卷曲和剥离薄片，这样能帮助构建各种异质结构
通过在薄片上直接绘制或放置薄金属线形成电接触，我们可以完成这些操作，而无需再进行耗时且涉及有害化学物质的光刻和蚀刻步骤
这个装置可以轻松集成到任何范德瓦尔斯组装系统中
而微针技术的展示，也可以快速制备具有不同二维材料的设备，并在研究初期测试其性能，有助于构建出不同类型的范德瓦尔斯异质结构
为了研究新材料的性能，研究人员通常需要制造多种光刻、蚀刻、金属沉积和剥离过程的设备
它需要较长的处理时间，涉及到有化学物质很有可能会降低样品质量
范德瓦尔斯vdW组装技术的快速发展扩展了对二维材料的研究，如石墨烯和过渡金属二卤代化合物TMDCs
从不同的二维材料中快速制备样品，用来初始测试或构建vdW异质结构是有益的
不同的技术已经被开发出来帮助薄片剥离，vdW组装和设备制造
为了减少样品制造过程中暴露于化学物质，我们在开始装置制造之前，将被原子扁平和化学惰性的六方氮化硼hBN薄片封装，或者通过模板掩模或vdW转移直接沉积在了薄片上
对于精确排列的晶体方向vdW组装层，是需要研究新物理出现的
从2d摩尔系统目标片被hBN，或者激光在显微镜下，或削减和旋转的原子力显微镜AFM尖端
许多关于二维材料和莫尔物理的研究涉及到先进的制造工艺和设备，例如制作模板掩模、在手套箱中进行金属沉积的原子力显微镜，或者将高功率激光集成到光学显微镜中
因此，我们着眼于开发一种创新的微针探针，其直径约为50纳米，可用于精确地切割二维材料，实现微米级别的设计形状
通过这种方式，我们能够创建或修改各种异质结构，而无需依赖复杂的制造流程或设备，为二维材料和莫尔物理研究提供更加灵活和高效的方法
我们发现该探针也可以直接在剥离的薄片上拉丝或焊出细金属丝，形成电接触
我们的微针探针系统与vdW传输系统相同，该系统包括了一个光学显微镜、沿xy方向移动的样品台、pid控制的加热器和另一个xyz操纵器（称为下面的操纵台）和微针探针支
它可以与任何现有的vdW传输系统兼容，而不需要向系统中添加新的复杂设备，如高功率激光器
由于拥有如此高的兼容性，该装置也可以集成在一个手套箱中，可以用于处理空气/化学敏感材料
我们对基于微针的器件制造和操作技术展开了全面演示，让我们更容易获得新的二维材料和vdW异质结构
划痕光刻术在微针探针系统的各种功能中，我们从刮痕光刻开始探索
这是一种直接图案的方法来定义薄片的形状
在该装置中，一个尖端直径为50 nm的机械强钨微针探针连接到了vdW传输系统的机械手级，这样就可以精确地控制尖端在所有xyz方向上移动到微米精度
这使得我们不仅可以以微米的精度来定义形状，还可以根据材料和厚度来控制刮伤薄片的力
在样品台上安装一个带有薄片的硅衬底后，我们能通过调整操纵器级的xyz位置，小心地将探针尖端接近薄片
一旦尖端接触到薄片，我们就会沿着xy方向移动尖端，沿着设计的路径以防止刮伤薄片
因为我们发现薄片很容易刮伤，而厚薄片大于20nm，二硫化钼较厚的薄片，经常移动，卷起或脱落
这与最近观察到的粘附能量一致，二硫化钼层之间大于石墨烯之间，而与SiOx衬底的粘附仍然是最弱的，与二硫化钼相比，石墨的厚度更容易卷起来或剥离
显示了通过划伤光刻形成的霍尔棒图案单层石墨烯
我们能够实现宽度和距离约为1µm的霍尔探头，这对于大多数二维材料的研究已经足够了
值得一提的是，与AFM尖端切割的石墨烯薄片相似，我们发现图中黑色箭头和虚线沿晶体方向划伤时，划伤边缘比沿白色箭头表示的任意方向划伤时更光滑
这可以归因于一个较小的临界应力，需要破解石墨烯沿着扶手椅或锯齿状边缘：石墨烯边缘被微针探针倾向于与能量首选扶手椅或锯齿状方向，导致更光滑的边缘当针划痕沿着相同的方向
当集成在手套箱中时，刮擦光刻装置可以帮助塑造空气/化学敏感材料，如黑磷和大多数2D磁体，在用hBN封装成所需的结构
通过这种方式，在确定器件的几何形状时，我们就可以在制造和测量过程中保护基面和薄片的边缘免受有害环境的影响
这显示了好几层2H-MoTe2，它们通过光刻直接雕刻成矩形或霍尔条，然后被手套箱里的两个hBN薄片夹住
该技术也可应用于二维材料的切割和叠加，以在研究新兴的扭曲材料时精确控制扭转角度
插图显示了中间的石墨烯双层石墨烯片，然后被微针探针组装成扭曲的双层石墨烯器件
器件的四端电阻的背栅电压依赖性显示了两个特征卫星电阻峰，该卫星电阻峰是摩尔模式中二次狄拉克锥的形成
根据卫星峰值的位置，我们估计了扭转角在0.45º左右，接近于目标值0.50º
与需要先进设备的AFM或激光切割方法相比，刮擦光刻具有成本效益，可以更直接地集成到vdW传输系统中
它提供了一种可访问的和快速的方法来塑造薄片
原位电气测量由于刮擦光刻设置的简单性，人们还可以集成一个电气测量单元来监测刮擦时薄片电阻的变化
下图a显示了组合系统的原理图，其中我们用芯片载波架替换了普通的样品级，芯片载波架通过接线盒电连接到了源计和锁定放大器等测量仪器
在使用常规光刻和剥离工艺在硅基底上剥离的石墨烯上制造电触点后，我们将设备放置在芯片载波支架上，通过施加从触点a到b的低频交流电流并测量触点f和e之间的电压，测量其电阻
还使用了微针在接触点f和e之间划伤石墨烯薄片
在整个刮伤过程中，我们能够精确地跟踪电阻随时间的变化，直到薄片被完全切割
对于另一对接触点（d和e），我们在每一步暂停抓挠，并测量电导的依赖性，以显示在更宽的范围内对电导的抑制更强
这与较窄的石墨烯的间隙开口更大相一致
这种技术可以用于在二维材料中制造定义明确的窄收缩，如窄霍尔探针、量子点接触或量子点，因为人们可以在划伤过程中实时监测电信号
它也为二维半导体提供了一个有趣的方向
在测量二维半导体的场效应晶体管（FET）特性时，可以逐步刮伤薄片，以研究场效应晶体管特性的沟道宽度依赖性
人们还可以通过跟踪抓挠时电信号的变化来定义单个域内的通道
我们相信基于微针的刮痕光刻与原位电测量装置相结合，可以为制造二维材料器件和同时探测其电性能提供新的手段
显示的所有其他测量结果都是在室温下进行的
在原位电测量中，我们采用了上述与交流电流为1μA的相同锁定技术测量了石墨烯器件的电信号
对于测量的焊接石墨烯和二硫化钼器件，源极-漏极直流电压偏置和结果电流由基思利2400源极计进行测量，而后栅极电压由另一个基思利2400控制
剥落和卷积与AFM尖端或激光不同，微针探针也可以剥离或卷起厚薄片，因为它的尖端比AFM尖端更硬更重，因此它很容易打破层之间的vdW相互作用
微针探针可以从顶部剥离少量的厚石墨薄片，而不损坏底层
我们通过微调缓慢降低操纵手级的z位置，同时横向扫描薄片
当尖端接触到薄片的顶部时，我们可以看到一些薄片层开始被剥落
如果我们想使薄片更薄，尖端可以进一步降低
目前，该技术受到尖端锐度（直径50纳米）的限制，所以我们只能剥离厚度超过几十纳米的厚薄片
这可以通过使用更锋利的针或通过倾斜尖端使其末端接触薄片边界来进一步改进
整个过程是快速的，不需要像AFM这样的复杂设备
此外微针尖端难AFM尖端，所以它可以用来剥离non-vdW结合2d晶体，其电气或光学特性取决于他们的厚度范围50到数百纳米，但很难剥离使用传统机械剥离或AFM方法
我们将尖端进一步降低时，可以将硅基片完全卷起，厚厚的石墨片被卷了起来并推离到了原来的位置
这可以用来制作二维材料薄片的卷轴，或清理薄片周围不需要的厚薄片
后者在vdW组装中特别有用，因为机械剥离通常会产生薄层的二维薄材料与厚薄片相连或包围，这阻碍了在vdW转移过程中薄片与聚合物或拾取片的粘附
我们使用微针分离目标薄片后，vdW组装变得更加容易，没有聚合物或拾取片接触其他薄片的问题
旋转和滑动另一方面，当薄片放置在石墨或hBN等原子平面时，我们用微针旋转或滑动薄片比刮、卷或剥落更容易
微针不仅可以在石墨表面剥离/转移hBN片旋转和滑动，还可以对预图案片做同样的事情，类似于AFM尖端
我们可以在石墨表面上滑动和旋转薄片B和C，而不是在非晶硅衬底上的薄片a
这种对比行为来自于原子平面之间的均匀粘附，这使得比薄片和非晶SiOx层之间的不规则粘附更容易滑动
只要探针不穿过原子平坦基板的边缘或接触其表面，就与我们的发现一致，可以旋转或移动的hBN薄片通常比20- 30 nm厚，接近尖端的锐度（直径50nm）
实验结果表明使用微针探针，我们可以通过刮擦形成薄薄片通过滚动或剥离去除薄、厚薄片的移动，或旋转vdW异质结构的最顶层，绘制出薄金属线形成电接触
所有这些操作都可以在现有的vdW转移装置中进行，只需在机械手级上添加一个微针及其支架
我们还可以添加一个测量单元，用于在操作过程中的现场电学表征
这也可以得出，微针技术提供了实验灵活性，因为它可以用于光刻、滚动、剥离、旋转、移动和焊接2D材料
微针技术的通用性和简单性可以更容易获得快速的器件制造，为vdW工程提供了新的策略，该技术将加速对新的二维材料和vdW异质结构的探索