De nouvelles structures périodiques appelées réseaux moirés peuvent être observées dans des hétérostructures bidimensionnelles (2-D) contenant des couches avec des vecteurs de réseau légèrement différents, qui peuvent à leur tour supporter de nouveaux phénomènes topologiques. Il est donc important d'obtenir une imagerie à haute résolution de ces réseaux moirés et de ces superstructures pour comprendre la physique émergente. Dans un nouveau rapport maintenant publié dans Avancées scientifiques , Kyunghoon Lee et une équipe de scientifiques rapportent le processus d'imagerie pour visualiser les réseaux moirés et les superstructures dans des échantillons à base de graphène dans des conditions ambiantes à l'aide d'une microscopie à impédance micro-ondes à balayage avec une mise en œuvre ultra-haute résolution. Alors que la pointe de la sonde de l'appareil maintenait un rayon brut de 100 nm, l'équipe de recherche a atteint une résolution spatiale meilleure que 5 nm. Cette configuration a permis la visualisation directe des réseaux de moiré et du super moiré composite. Les chercheurs ont également montré la synthèse artificielle de nouvelles superstructures résultant de l'interaction entre diverses couches.

Physique topologique et nouveaux phénomènes quantiques avec les réseaux moirés

Les hétérostructures bidimensionnelles composées de couches atomiquement minces avec des vecteurs de réseau légèrement différents peuvent former des réseaux moirés avec une grande périodicité en raison d'un grand décalage de réseau ou d'une torsion à petit angle dans la structure. De telles architectures génèrent de nouvelles échelles de longueur et d'énergie dans des matériaux 2D empilés pour fournir une nouvelle plate-forme passionnante pour concevoir de nouveaux phénomènes corrélés et une physique topologique dans les hétérostructures de van der Waals. Des superstructures de réseaux moirés peuvent être formées lorsque des structures de réseau similaires sont empilées pour offrir une flexibilité supplémentaire pour concevoir de nouveaux phénomènes quantiques. Il est important de caractériser le réseau de moiré et les superstructures dans une configuration de dispositif pour comprendre et contrôler la riche physique du moiré dans les hétérostructures 2D.

Traditionnellement, cela peut être accompli avec la microscopie électronique à transmission (MET), techniques de microscopie à force atomique (AFM) et de microscopie à effet tunnel (STM). Mais la plupart des méthodes nécessitent des protocoles de préparation d'échantillons spécialisés qui sont largement inadaptés à l'observation de dispositifs fonctionnels. La microscopie à impédance micro-ondes à balayage (sMIM) est un outil d'imagerie moiré alternatif et attrayant par rapport aux méthodes existantes, qui combine l'avantage de la résolution spatiale avec une sensibilité élevée des propriétés électriques locales de l'appareil. Lee et al. a donc démontré une implémentation ultra-haute résolution de sMIM, qu'ils ont également nommé uMIM pour effectuer une imagerie à l'échelle nanométrique des réseaux moirés et des superstructures de divers dispositifs à base de graphène dans des conditions ambiantes.

Microscopie d'impédance micro-ondes à balayage ultra-haute résolution

A l'aide de la sonde d'imagerie, l'équipe a révélé plusieurs superstructures moirées, notamment une supermodulation du réseau moiré et une nouvelle structure moirée de type Kagome résultant de l'interaction entre des couches de graphène torsadé étroitement alignées et de nitrure de bore hexagonal (hBN). De telles superstructures moirées peuvent offrir de nouvelles voies pour concevoir des phénomènes quantiques dans les hétérostructures de van der Waals. Lors des expérimentations, l'équipe a utilisé le microscope pour sonder l'admittance complexe locale de l'échantillon de pointe. L'admittance observée de l'échantillon de pointe dépendait de la conductivité locale de l'échantillon et l'équipe a calculé les signaux uMIM réels et imaginaires (comme uMIM-Re et uMIM-Im respectivement). Le signal imaginaire était informatif pour évaluer rapidement la conductivité locale puisqu'il augmentait de façon monotone avec la conductance de feuille de l'échantillon. La nouvelle méthode d'imagerie analytique a fourni une version micro-ondes de la méthode de microscopie optique en champ proche sans ouverture. Bien que contrairement au microscope en champ proche, les chercheurs ont réalisé les expériences en mode contact où le couplage électromagnétique entre la pointe et l'échantillon était très localisé au sommet de la pointe.

Preuve de concept avec des systèmes à base de graphène

L'équipe a montré la capacité de la technique d'imagerie en observant le super-réseau moiré dans le graphène double bicouche torsadé (tDBG). Ils ont résolu trois domaines différents dans le réseau moiré tDBG en utilisant des signaux distincts pour montrer l'utilité de la technique pour identifier les structures fines des réseaux moirés dans les hétérostructures 2D basées sur la conductivité locale. Pour démontrer la capacité de résolution spatiale de la méthode, Lee et al. défauts de moiré imagés le long du réseau de moiré, et résolu les défauts avec une résolution inférieure à 5 nm. Cette méthode a surpassé les autres microscopes optiques en champ proche.

Les scientifiques ont ensuite montré l'applicabilité universelle de la méthode pour résoudre les structures moirées dans une variété de systèmes à base de graphène. Par exemple, la technique a facilité les observations de moiré dans des échantillons monocouches de graphène/hBN (nitrure de bore hexagonal) cultivés par épitaxie, synthétisé à l'aide d'un dépôt chimique en phase vapeur standard amélioré par plasma. La méthode a également résolu les domaines triangulaires dans le graphène tricouche torsadé (tTG) et le graphène bicouche torsadé (tDBG). En dehors des treillis moirés conventionnels, la méthode microscopique à ultra-haute sensibilité a également permis l'imagerie de superstructures moirées à partir de trois réseaux sous-jacents avec différents vecteurs de réseau, comme le graphène double bicouche torsadé sur nitrure de bore hexagonal (BG/BG/hBN). Alors que de telles hétérostructures ont déjà été imagées avec des techniques conventionnelles, elles restent à observer dans les conditions ambiantes. Les images topographiques ont montré des modifications de la structure moirée, ce qui peut conduire à un spectre électronique modifié qui devra éventuellement être inclus dans les calculs théoriques de la structure électronique du matériau.

Étude d'autres superstructures moirées

Lee et al. puis utilisé la méthode pour étudier d'autres superstructures moirées avec des propriétés physiques souhaitables. Par exemple, le réseau de Kagome a attiré une attention notable en tant que plate-forme pour étudier la physique de Hubbard en raison de la présence de bandes plates et de phases quantiques et magnétiques exotiques. Cependant, Les cristaux de réseau de Kagome sont relativement rares dans la nature, alors qu'ils peuvent être simulés via un super-réseau optique dans la recherche sur les atomes ultrafroids. L'équipe a donc développé un superréseau de moiré de type Kagome à l'état solide dans des systèmes BG/BG/hBN (graphène double bicouche torsadé sur nitrure de bore hexagonal) et a visualisé un composite moiré spécial via la technique d'imagerie. Les scientifiques ont examiné en détail la structure résultante et l'ont comparée à la structure attendue d'un réseau de Kagome idéal.

Perspectives

De cette façon, Kyunghoon Lee et ses collègues ont largement démontré l'utilisation d'un microscope à impédance micro-ondes à ultra-haute résolution (sMIM) comme un moyen simple, méthode à haut débit et non invasive pour caractériser les super-réseaux moirés et les superstructures, y compris les défauts de moirage. L'équipe a également adapté les super-réseaux de Kagome dans des empilements multicouches d'hétérostructures de van der Waals à base de graphène. La technique d'imagerie supérieure fournira une meilleure compréhension des chemins de conception des hétérostructures pour étudier leur corrélation avec les phénomènes quantiques dans les superstructures de moiré avancées.

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