Se pueden observar nuevas estructuras periódicas conocidas como celosías muaré en heteroestructuras bidimensionales (2-D) que contienen capas con vectores de celosía ligeramente diferentes, que a su vez puede soportar nuevos fenómenos topológicos. Por lo tanto, es importante obtener imágenes de alta resolución de estas rejillas y superestructuras de muaré para comprender la física emergente. En un nuevo informe ahora publicado en Avances de la ciencia , Kyunghoon Lee y un equipo de científicos informan sobre el proceso de obtención de imágenes para ver celosías y superestructuras de muaré en muestras basadas en grafeno en condiciones ambientales utilizando microscopía de impedancia de microondas de barrido con implementación de resolución ultra alta. Si bien la punta de la sonda del dispositivo mantuvo un radio bruto de 100 nm, el equipo de investigación logró una resolución espacial mejor que 5 nm. Esta configuración permitió la visualización directa de celosías de muaré y el supermoiré compuesto. Los investigadores también mostraron la síntesis artificial de nuevas superestructuras que surgen de la interacción entre diversas capas.

Física topológica y nuevos fenómenos cuánticos con celosías muaré

Las heteroestructuras bidimensionales compuestas de capas atómicamente delgadas con vectores de celosía ligeramente diferentes pueden formar celosías muaré con una gran periodicidad debido a un gran desajuste de celosía o una torsión de ángulo pequeño en la estructura. Estas arquitecturas generan una nueva longitud y escalas de energía en materiales bidimensionales apilados para proporcionar una nueva plataforma emocionante para diseñar nuevos fenómenos correlacionados y física topológica en heteroestructuras de van der Waals. Se pueden formar superestructuras de celosías muaré cuando se apilan estructuras de celosía similares para ofrecer una flexibilidad adicional para diseñar nuevos fenómenos cuánticos. Es importante caracterizar la celosía y las superestructuras de muaré en una configuración de dispositivo para comprender y controlar la rica física del muaré en heteroestructuras 2-D.

Tradicionalmente, esto se puede lograr con microscopía electrónica de transmisión (TEM), técnicas de microscopía de fuerza atómica (AFM) y microscopía de túnel de barrido (STM). Pero la mayoría de los métodos requieren protocolos de preparación de muestras especializados que en gran medida no son adecuados para observar dispositivos funcionales. La microscopía de impedancia de microondas de barrido (sMIM) es una herramienta alternativa y atractiva para la obtención de imágenes muaré en comparación con los métodos existentes. que combina el beneficio de la resolución espacial con una alta sensibilidad de las propiedades eléctricas locales del dispositivo. Lee y col. por lo tanto, demostró una implementación de ultra alta resolución de sMIM, que también llamaron uMIM para realizar imágenes a nanoescala de celosías y superestructuras de muaré de varios dispositivos basados ​​en grafeno en condiciones ambientales.

Microscopía de impedancia de microondas de barrido de ultra alta resolución

Usando la sonda de imagen, El equipo reveló varias superestructuras de muaré, incluida una supermodulación de la celosía de muaré y una nueva estructura de muaré similar a Kagome que surge de la interacción entre capas de grafeno retorcido estrechamente alineadas y nitruro de boro hexagonal (hBN). Tales superestructuras de muaré pueden ofrecer nuevas vías para diseñar fenómenos cuánticos en heteroestructuras de van der Waals. Durante los experimentos, el equipo utilizó el microscopio para sondear la admitancia de punta-muestra del complejo local. La admitancia de la muestra de punta observada dependió de la conductividad de la muestra local y el equipo calculó las señales uMIM reales e imaginarias (como uMIM-Re y uMIM-Im respectivamente). La señal imaginaria fue informativa para evaluar rápidamente la conductividad local, ya que aumentó monótonamente con la conductancia laminar de la muestra. El nuevo método de obtención de imágenes analíticas proporcionó una versión de microondas del método de microscopía óptica de campo cercano sin apertura. Aunque a diferencia del microscopio de campo cercano, los investigadores realizaron los experimentos en modo de contacto donde el acoplamiento electromagnético entre la punta y la muestra estaba muy localizado en el vértice de la punta.

Prueba de concepto con sistemas basados ​​en grafeno

El equipo demostró la capacidad de la técnica de imágenes al ver la superrejilla de muaré en grafeno de doble capa retorcida (tDBG). Resolvieron tres dominios diferentes en la red de muaré tDBG utilizando señales distintas para mostrar la utilidad de la técnica para identificar estructuras finas de redes de muaré en heteroestructuras 2-D basadas en la conductividad local. Para demostrar la capacidad de resolución espacial del método, Lee y col. defectos de muaré en la imagen a lo largo de la celosía de muaré, y resolvió los defectos con una resolución inferior a 5 nm. Este método superó a otros microscopios ópticos de campo cercano.

Luego, los científicos demostraron la aplicabilidad universal del método para resolver estructuras muaré en una variedad de sistemas basados ​​en grafeno. Por ejemplo, la técnica facilitó las observaciones de muaré en muestras de grafeno monocapa / hBN (nitruro de boro hexagonal) de crecimiento epitaxial, sintetizado utilizando deposición química de vapor estándar mejorada con plasma. El método también resolvió los dominios triangulares en grafeno de tres capas retorcidas (tTG) y grafeno de doble capa retorcida (tDBG). Aparte de las celosías de muaré convencionales, el método microscópico de ultra alta sensibilidad también permitió obtener imágenes de superestructuras de muaré a partir de tres celosías subyacentes con diferentes vectores de celosía, como el grafeno de doble bicapa retorcido sobre nitruro de boro hexagonal (BG / BG / hBN). Si bien estas heteroestructuras se han fotografiado previamente con técnicas convencionales, quedan por observar en condiciones ambientales. Las imágenes topográficas mostraron modificaciones de la estructura muaré, lo que puede conducir a un espectro electrónico modificado que eventualmente puede necesitar ser incluido en cálculos teóricos de la estructura electrónica del material.

Investigando otras superestructuras de muaré

Lee y col. luego usó el método para investigar otras superestructuras de muaré con propiedades físicas deseables. Por ejemplo, la red de Kagome ha atraído una atención notable como plataforma para estudiar la física de Hubbard debido a la presencia de bandas planas y fases exóticas cuánticas y magnéticas. Sin embargo, Los cristales de celosía de Kagome son relativamente raros en la naturaleza, mientras que se pueden simular a través de una superrejilla óptica en la investigación de átomos ultrafríos. Por lo tanto, el equipo desarrolló una superrejilla de muaré similar a Kagome de estado sólido en sistemas BG / BG / hBN (grafeno de doble capa retorcida sobre nitruro de boro hexagonal) y visualizó un compuesto de muaré especial a través de la técnica de imagen. Los científicos examinaron la estructura resultante en detalle y la compararon con la estructura esperada de una red de Kagome ideal.

panorama

De este modo, Kyunghoon Lee y sus colegas demostraron ampliamente el uso de un microscopio de impedancia de microondas de barrido de ultra alta resolución (sMIM) como un simple, Método de alto rendimiento y no invasivo para caracterizar superredes y superestructuras de muaré, incluidos los defectos de muaré. El equipo también adaptó superredes de Kagome en pilas multicapa de heteroestructuras de van der Waals basadas en grafeno. La técnica de imagen superior proporcionará una mejor comprensión de las rutas de diseño de heteroestructura para investigar su correlación con los fenómenos cuánticos en superestructuras de muaré avanzadas.

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