p Novas estruturas periódicas conhecidas como redes moiré podem ser observadas em heteroestruturas bidimensionais (2-D) contendo camadas com vetores de rede ligeiramente diferentes, que pode, por sua vez, suportar novos fenômenos topológicos. Portanto, é importante obter imagens de alta resolução dessas redes e superestruturas moiré para entender a física emergente. Em um novo relatório agora publicado em Avanços da Ciência , Kyunghoon Lee e uma equipe de cientistas relatam o processo de imagem para visualizar redes moiré e superestruturas em amostras à base de grafeno sob condições ambientais usando microscopia de impedância de micro-ondas de varredura com implementação de resolução ultra-alta. Enquanto a ponta da sonda do dispositivo manteve um raio bruto de 100 nm, a equipe de pesquisa alcançou uma resolução espacial melhor que 5 nm. Esta configuração permitiu a visualização direta das redes moiré e do super-moiré composto. Os pesquisadores também mostraram a síntese artificial de novas superestruturas decorrentes da interação entre diversas camadas. p Física topológica e novos fenômenos quânticos com redes moiré

p Heteroestruturas bidimensionais compostas de camadas atomicamente finas com vetores de rede ligeiramente diferentes podem formar redes moiré com uma grande periodicidade devido a uma grande incompatibilidade de rede ou uma torção de pequeno ângulo na estrutura. Essas arquiteturas geram um novo comprimento e escalas de energia em materiais 2-D empilhados para fornecer uma plataforma nova e excitante para a engenharia de novos fenômenos correlacionados e física topológica em heteroestruturas de van der Waals. Superestruturas de redes moiré podem ser formadas quando estruturas de rede semelhantes são empilhadas para oferecer flexibilidade extra para projetar novos fenômenos quânticos. É importante caracterizar a rede moiré e as superestruturas em uma configuração de dispositivo para compreender e controlar a rica física moiré em heteroestruturas 2-D.

p Tradicionalmente, isso pode ser realizado com microscopia eletrônica de transmissão (TEM), técnicas de microscopia de força atômica (AFM) e microscopia de tunelamento de varredura (STM). Mas a maioria dos métodos requer protocolos de preparação de amostras especializados que são amplamente inadequados para observar dispositivos funcionais. A microscopia de impedância de micro-ondas de varredura (sMIM) é uma ferramenta de imagem moiré alternativa e atraente em comparação com os métodos existentes, que combina o benefício da resolução espacial com alta sensibilidade das propriedades elétricas locais do dispositivo. Lee et al. portanto, demonstrou uma implementação de resolução ultra-alta de sMIM, que eles também chamaram de uMIM para realizar imagens em nanoescala de redes moiré e superestruturas de vários dispositivos baseados em grafeno em condições ambientais.

p Microscopia de impedância de micro-ondas de varredura de ultra-alta resolução

p Usando a sonda de imagem, a equipe revelou várias superestruturas moiré, incluindo uma supermodulação da estrutura moiré e uma nova estrutura moiré tipo Kagome surgindo da interação entre grafeno torcido estreitamente alinhado e camadas hexagonais de nitreto de boro (hBN). Essas superestruturas moiré podem oferecer novos caminhos para a engenharia de fenômenos quânticos em heteroestruturas de van der Waals. Durante os experimentos, a equipe usou o microscópio para sondar a admissão de amostra de ponta complexa local. A admitância da amostra da ponta observada dependia da condutividade da amostra local e a equipe calculou os sinais reais e imaginários uMIM (como uMIM-Re e uMIM-Im respectivamente). O sinal imaginário foi informativo para avaliar rapidamente a condutividade local, visto que aumentava monotonicamente com a condutância da folha da amostra. O novo método de imagem analítica forneceu uma versão de microondas do método de microscopia óptica de campo próximo sem aberturas. Embora ao contrário do microscópio de campo próximo, os pesquisadores realizaram os experimentos no modo de contato, onde o acoplamento eletromagnético entre a ponta e a amostra estava altamente localizado no ápice da ponta.

p Prova de conceito com sistemas baseados em grafeno

p A equipe mostrou a capacidade da técnica de imagem visualizando a superrede moiré em grafeno de dupla camada dupla torcida (tDBG). Eles resolveram três domínios diferentes na rede moiré tDBG usando sinais distintos para mostrar a utilidade da técnica para identificar estruturas finas de redes moiré em heteroestruturas 2-D com base na condutividade local. Para demonstrar a capacidade de resolução espacial do método, Lee et al. defeitos moiré imageados ao longo da estrutura moiré, e resolveu os defeitos com resolução abaixo de 5 nm. Este método superou outros microscópios ópticos de campo próximo.

p Os cientistas então mostraram a aplicabilidade universal do método para resolver estruturas moiré em uma variedade de sistemas baseados em grafeno. Por exemplo, a técnica facilitou observações de moiré em amostras de monocamada de grafeno / hBN (nitreto de boro hexagonal) crescidas epitaxialmente, sintetizado usando deposição de vapor químico aprimorada por plasma padrão. O método também resolveu os domínios triangulares em grafeno tricamada torcida (tTG) e grafeno dupla camada dupla torcida (tDBG). Além de treliças moiré convencionais, o método microscópico de ultra-alta sensibilidade também permitiu imagens de superestruturas moiré de três redes subjacentes com diferentes vetores de rede, tal como grafeno de dupla camada dupla torcida em nitreto de boro hexagonal (BG / BG / hBN). Embora tais heteroestruturas tenham sido previamente fotografadas com técnicas convencionais, eles devem ser observados em condições ambientais. As imagens topográficas mostraram modificações na estrutura moiré, o que pode levar a um espectro eletrônico modificado que, eventualmente, pode precisar ser incluído nos cálculos teóricos da estrutura eletrônica do material.

p Investigando outras superestruturas moiré

p Lee et al. em seguida, usou o método para investigar outras superestruturas moiré com propriedades físicas desejáveis. Por exemplo, a rede Kagome tem atraído atenção notável como uma plataforma para estudar a física de Hubbard devido à presença de bandas planas e fases quânticas e magnéticas exóticas. Contudo, Os cristais de rede Kagome são relativamente raros na natureza, enquanto eles podem ser simulados por meio de uma superrede óptica na pesquisa de átomos ultracold. A equipe, portanto, desenvolveu uma superrede moiré de estado sólido semelhante a Kagome em sistemas BG / BG / hBN (grafeno de dupla camada dupla torcida em nitreto de boro hexagonal) e visualizou um composto moiré especial por meio da técnica de imagem. Os cientistas examinaram a estrutura resultante em detalhes e a compararam com a estrutura esperada de uma rede Kagome ideal.

p Panorama

p Desta maneira, Kyunghoon Lee e seus colegas demonstraram extensivamente o uso de um microscópio de impedância de micro-ondas de varredura de ultra alta resolução (sMIM) como um simples, método de alto rendimento e não invasivo para caracterizar superredes e superestruturas moiré, incluindo defeitos moiré. A equipe também adaptou superredes Kagome em pilhas multicamadas de heteroestruturas de van der Waals à base de grafeno. A técnica de imagem superior fornecerá uma melhor compreensão dos caminhos do projeto da heteroestrutura para investigar sua correlação com fenômenos quânticos em superestruturas moiré avançadas. p © 2020 Science X Network