EP4646386A1 - Verfahren zum mechanischen aufbau von van-der-waals-heterostrukturen sowie stempelset - Google Patents

Verfahren zum mechanischen aufbau von van-der-waals-heterostrukturen sowie stempelset

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Publication number
EP4646386A1
EP4646386A1 EP24737865.6A EP24737865A EP4646386A1 EP 4646386 A1 EP4646386 A1 EP 4646386A1 EP 24737865 A EP24737865 A EP 24737865A EP 4646386 A1 EP4646386 A1 EP 4646386A1
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EP
European Patent Office
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stamp
polymer
crystal
base flake
polymer film
Prior art date
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Pending
Application number
EP24737865.6A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jose MARTINEZ CASTRO
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Forschungszentrum Juelich GmbH
Original Assignee
Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Forschungszentrum Juelich GmbH filed Critical Forschungszentrum Juelich GmbH
Publication of EP4646386A1 publication Critical patent/EP4646386A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B82B3/0042—Assembling discrete nanostructures into nanostructural devices
    • B82B3/0047—Bonding two or more elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
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    • H10D62/882—Graphene

Definitions

  • the present invention relates to a method for the mechanical construction of van der Waals heterostructures.
  • the invention further relates to a stamp set which is designed for the mechanical construction of van der Waals heterostructures, in particular for carrying out a method according to the invention.
  • a polydimethylsiloxane (PDMS) stamp which is coated with a poly- mer film is used to pick up a peeled or exfoliated 2D crystal. While the polymer of the polymer film has strong adhesion in a certain temperature range, the PDMS is soft and thus prevents the picked up 2D material from breaking.
  • the heterostructure is then incorporated into the final stack from top to bottom, starting with the material that will ultimately form the top layer. In the last step, the heterostructure is released by contact with the target substrate and melting of the polymer of the polymer film.
  • a polymer whose thermoplastic properties allow melt-free release can be used.
  • the assembly process requires complete contact between the polymer of the polymer film and the heterostructure surface, which inevitably results in polymer residues on the heterostructure surface.
  • the heterostructure surface is made of a reactive material, contact with the polymer will attack its surface.
  • One strategy to circumvent this problem is to use a protective layer in the form of an inert material located between the polymer and the reactive material.
  • the polymer residues can be removed from the protective layer using a combination of solvents such as chloroform, acetone or isopropanol and AFM-based cleaning methods. The combination of these cleaning methods has shown that contamination-sensitive surface science techniques can be successfully applied.
  • the dry transfer-flip technique also has some disadvantages.
  • the assembled heterostructure must be heated in high vacuum for several hours to remove the PPC layer remaining under the heterostructure, which can cause atomic defects on the surface of the heterostructure.
  • the required temperature of 250 °C is not compatible with 2D materials that decompose at this temperature.
  • the large amount of PPC that must be sublimated from the bottom of the heterostructure is not compatible with ultra-high vacuum (UHV).
  • the present invention provides a method for the mechanical construction of Van der Waals heterostructures, comprising the steps of a) arranging a polymer film on a polymer element of a first stamp such that the polymer film covers part of an opening of a depression provided on the upper side of the polymer element, in particular approximately half of the opening of the depression of the polymer element, b) arranging a polymer film on a polymer layer of a second stamp such that the polymer film covers part of an opening of a upper side of the polymer layer is covered, in particular approximately half of the opening of the recess of the polymer layer, c) picking up a base flake arranged on a carrier with the first stamp by moving the first stamp and the base flake towards each other, bringing the polymer film partially covering the opening of the recess into contact with approximately half of the base flake surface and moving the first stamp with the base flake adhering to its polymer film and the carrier away from each other, d) picking up a first 2D crystal arranged
  • the movements of components towards and/or away from each other carried out in steps c), d), e) and h) are relative movements that can be brought about by moving both corresponding components, but preferably by moving only one component. These relative movements preferably take place in a vertical direction, advantageously by moving only the upper component.
  • the method according to the invention is carried out using two stamps.
  • the first stamp has a polymer element, the underside of which can be arranged, for example, on a glass slide, and is provided with a recess on its upper side.
  • the polymer element is preferably dome-shaped, with the recess then being formed on the upper side of the dome.
  • the recess is advantageously essentially cuboid-shaped and, viewed from above, has an opening area of approximately 500 x 500 pm 2 in particular.
  • the second stamp comprises a horizontally extending polymer layer, the underside of which can be arranged, for example, on a glass slide.
  • the polymer layer has a recess, in particular in the form of a continuous vertical incision or cut that divides the polymer layer into two parts, the width of the recess advantageously being approximately 200 pm.
  • the polymer element and the polymer layer are preferably made from a silicone, in particular from polydimethylsiloxane (PDMS).
  • the polymer films arranged on the stamps in steps a) and b) serve to pick up, tilt and release the Van der Waals heterostructure during the implementation of the further process steps.
  • a commercially available polyvinyl chloride film can be used as the polymer film, which is preferably first heated to 130 °C for one minute on a hot plate. This step is advantageous in that uncontrolled thermal shrinkage of the PVC can be reliably prevented during the implementation of the process according to the invention.
  • the arrangement of the polymer films on the polymer element of the first stamp and on the polymer layer of the second stamp is preferably carried out in such a way that the freely floating area of the polymer layer on the first stamp is larger than on the second stamp, which promotes stronger adhesion between the polymer film and the heterostructure on the second stamp compared to the first stamp.
  • At least one suitable micromanipulator is used.
  • the method according to the invention is advantageous over the prior art described at the beginning in that it requires neither the use of a protective layer nor other cleaning methods such as solvents or AFM cleaning. This makes it possible to achieve van der Waals heterostructures with atomically clean surfaces at comparatively low process temperatures.
  • At least one further crystal layer arranged on a horizontally extending substrate is picked up with the first stamp by lowering the first stamp vertically in the direction of the further crystal layer, bringing the surface of the first crystal layer into contact with the surface of the further crystal layer. brought into contact and then the first stamp with the van der Waals heterostructure held on it, which has the base flake, the first crystal layer and the further crystal layer, is moved vertically upwards again.
  • steps c) and d) are carried out at a temperature of about 70°C.
  • Steps e) to i) are preferably carried out at a temperature of about 130°C.
  • the target substrate is preferably made of an alloy comprising Au and Ti.
  • the base flake has a thickness of at least 40 nm to ensure the necessary stiffness and mechanical support for the subsequent layers of the heterostructure.
  • the material of the base flake and/or the crystal layers comprises in particular graphite and/or NbSe2 and/or MoS2 and/or h-BN.
  • the present invention provides a stamp set which is designed for the mechanical construction of van der Waals heterostructures and can be used in particular for carrying out the method according to the invention, comprising two stamps, wherein the first stamp has a polymer element which is provided with a recess on its upper side, and wherein the second stamp has a horizontally extending polymer layer which has a recess on its upper side, in particular in the form of a continuous vertical cut which divides the polymer layer into two parts.
  • the polymer element of the first stamp is dome-shaped and is provided with the recess on the upper side of the dome.
  • the polymer element of the first stamp and the polymer layer of the second stamp are each arranged on a glass slide.
  • the polymer element and the polymer layer are advantageously made of a silicone, in particular polydimethylsiloxane (PDMS).
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • the recess of the polymer element of the first stamp is essentially cuboid-shaped and, when viewed from above, has in particular an opening area of approximately 500 x 500 pm 2 .
  • the recess of the polymer layer of the second stamp preferably has a width of about 200 pm.
  • Figure 1 is a schematic first sectional view of a first stamp of a stamp set according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a schematic second sectional view of the first stamp shown in Figure 1, wherein the sectional view shown is rotated by 90° compared to Figure 1;
  • Figure 3 is a schematic first sectional view of a second stamp of the stamp set;
  • Figure 4 is a schematic second sectional view of the second stamp shown in Figure 3, the sectional view shown being rotated by 90° compared to Figure 3;
  • Figures 5 to 14 are schematic views showing successive steps of a method according to an embodiment of the present invention using the stamps shown in Figures 1 to 4.
  • Figures 1 to 4 show two stamps 2 and 3 of a stamp set 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the first stamp 2 shown in Figures 1 and 2 has a polymer element 4, which is in the present case dome-shaped and is positioned on a slide 5, in the present case a slide 5 made of glass.
  • the polymer element 4 is provided with a recess 6, which in the case shown is essentially cuboid-shaped and has an opening area of approximately 500 x 500 pm 2 when viewed from above.
  • the second stamp 3 shown in Figures 3 and 4 comprises a horizontally extending polymer layer 7, which is also positioned on a slide 5 and here has a thickness of 5 mm.
  • the polymer layer 7 is provided with a recess 8, which in the present case has the shape of a continuous vertical cut that divides the polymer layer 7 into two parts.
  • the recess 8 of the polymer layer 7 has in the case shown th embodiment has a width B of about 200 m.
  • the polymer element 4 of the first stamp 2 and the polymer layer 7 of the second stamp 3 are preferably made of a silicone, in this case polydimethylsiloxane (PDMS).
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • the first stamp 2 is used in the method described in more detail below to build up a Van der Waals heterostructure.
  • the second stamp 3 is used to tilt and detach the Van der Waals heterostructure onto a target substrate 9.
  • a polymer film 10 is produced to be used for picking up, tilting and releasing a van der Waals heterostructure.
  • a commercially available polyvinyl chloride (PVC) film (RIKEN WRAP, Riken Fabro Corp) is first heated on a hot plate to 130 °C for one minute. This heat treatment serves to prevent uncontrolled thermal shrinkage of the polymer film during subsequent process steps.
  • the polymer film 10 is transferred to a 1 x 1 cm 2 square of double-sided adhesive tape, taking care not to crumple the polymer film 10.
  • the double-sided adhesive tape provides grip and stability when handling the polymer film 10.
  • the polymer film 10 is cut into two pieces.
  • a base flake 12 is provided on a carrier 13 heated to 70°C, in this case a SiC ⁇ carrier.
  • the base flake 12 consists of a van der Waals material. It can be a graphite flake, to name just one example.
  • the thickness D of the base flake 12 should be at least 40 nm in order to ensure the necessary rigidity and mechanical support for the subsequent layers of the heterostructure 11.
  • the first stamp 2 is positioned above the base flake 12 in such a way that the polymer element 4 with the polymer film 10 arranged thereon points in the direction of the base flake 12, see Figure 5.
  • the first stamp 2 is lowered in the direction of the arrow 14 using a micromanipulator such that the region of the polymer film 10 of the first stamp 2 protruding horizontally into the recess 6 touches approximately half of the base flake 12, as shown in Figure 6, whereupon the first stamp 2 is again carefully moved vertically upwards.
  • the first stamp 2 with the base flake 12 held thereon, as shown in Figure 7, is positioned above a peeled 2D crystal 15 made of a Van der Waals material, which is on a in the present case a SiO2 carrier heated to 70°C.
  • the peeled crystal 15 can be an NbSe2 or an M0S2 and/or an h-BN crystal, to name a few examples.
  • the thickness of the crystal 15 can in principle be freely selected.
  • the second stamp 3 is now moved downwards with the base flake 12 in front in the direction of the crystal 15, as indicated in Figure 7 by the arrow 16, so that the section of the base flake 12 arranged below the polymer film 10 touches the crystal 15 without the crystal 15 protruding laterally beyond the base flake 12, see Figure 8.
  • the crystal is then picked up by van der Waals interaction, whereby the desired heterostructure 11 is formed in the present case. It should be clear, however, that further crystals can be arranged on the crystal 15 of the heterostructure 11 now produced by repeating the steps shown in Figures 7 and 8.
  • the heterostructure is turned over with the second stamp 3.
  • the temperature is increased to 130°C and the first stamp 2 is positioned above the second stamp 3 such that the polymer element 4 of the first stamp 2 and the polymer layer 7 of the second stamp 3 face each other, as shown in Figure 9.
  • the Van der Waals heterostructure 11 is brought into contact with the polymer film 10 of the second stamp 3 by lowering the first stamp 2 in the direction of the arrow 17, whereby care is taken to ensure that only the free surface of the base flake 12 touches the polymer film 10 of the second stamp 3, see Figure 10.
  • the heterostructure 11 is then transferred to the second stamp 3 by gently pressing the first stamp 2 as shown in Figure 11 and moving it horizontally sideways in the direction of the arrow 18 so that the polymer film 10 of the first stamp 2 is peeled off the heterostructure 11.
  • the second stamp 3 is then turned over in the direction of the arrows 19 in Figure 11 and positioned with the micromanipulator above the target substrate 9 in such a way that the heterostructure 11 points in the direction of the target substrate 9, as shown in Figure 12.
  • the target substrate 9 in the present case is an Au/Ti layer which is positioned on a carrier 13, for example a SiC ⁇ carrier which is heated to 130°C.
  • the heterostructure 11 is brought into contact with the target substrate 9 by lowering the second stamp 3 in the direction of the arrow 20 shown in Figure 12, see Figure 13.
  • the polymer film 10 of the second stamp 3 is detached from the heterostructure 11 by slowly moving the second stamp 3 horizontally sideways in the direction of the arrow 21 shown in Figure 13, as shown in Figure 14.
  • the method according to the invention is advantageous in that it requires neither the use of a protective layer nor other cleaning methods such as solvents or AFM cleaning. This makes it possible to achieve van der Waals heterostructures with atomically clean surfaces at comparatively low process temperatures.
  • heterostructures from different materials
  • the method according to the invention has a wide range of applications.
  • heterostructures that can be constructed on common substrates for optical, Transport and surface characterization experiments are hexagonal boron nitride (h-BN), graphite or M0S2.
  • h-BN hexagonal boron nitride
  • NbSe2 materials with a reactive surface
  • NbSe2 materials with a reactive surface
  • the ultra-clean Van der Waals heterostructures constructed consist of a variety of different Van der Waals materials, which facilitate the investigation of
  • the amount of residues remaining on the surface was evaluated in three different criteria: the amount of residues remaining on the surface, the number and area of trapped bubbles at the interface, and possible damage to the top layer, for example in the form of cracks. It was found that reverse stacking of van der Waals heterostructures protects the top surface, prevents breakage and leads to a lower number of trapped bubbles.
  • the increased stiffness of the base flakes contributes to better interfaces by avoiding inhomogeneities due to the elasticity of the polymer film.
  • no traces of residues or damage could be detected on the top graphene layer.
  • the surface residues are mainly located at the contact front between the polymer film and the base flake.
  • a heterostructure was assembled in a regular stacking sequence and with filling contact between the heterostructure surface and the polymer film, according to the method described above, referred to as “deterministic dry pick-up assembly”.
  • the surface of the assembled Gr/NbSe2/graphite heterostructure showed significant polymer residues as well as damaged areas where the graphene was partially broken.
  • a polymer base and a curing agent were mixed in a Petri dish in a ratio of 10:1 (w/w) using a commercial PDMS elastomer kit (SYLGARD 184).
  • SYLGARD 184 a commercial PDMS elastomer kit
  • the Petri dish was turned upside down for several days so that the mixed liquid slowly formed a drop and hardened at the same time. The recess was then made.
  • To create the recess To remove the polymer layer of the second stamp, the polymer layer positioned on the slide was cut into two parts using a scalpel in such a way that the resulting recess exposed the slide.
  • Atomic force microscopy (AFM) experiments were performed using a Bruker Innova instrument under ambient conditions.
  • the AFM was used in contact mode with a nominal force of ⁇ 6.2 nN and a scan speed of 20 pm s 1 .
  • the probe tips used in the experiments were Bruker RESPA-20, with a nominal tip radius of 8 nm and a spring constant of 0.9 Nm- 1 .
  • the scanning tunneling data were collected at the Center for Low Temperature Physics in Kosice under ultrahigh vacuum at a base pressure of ⁇ 1 x 10-10 mbar and a base temperature of 1.14 K with a mechanically cut Au tip.
  • the method according to the invention creates a transfer technique that enables the construction of van der Waals heterostructures with ultra-clean surfaces and interfaces.
  • the method is suitable for the construction of heterostructures in a glove box and can therefore also be used for reactive materials.
  • the high quality of the resulting van der Waals heterostructures enables detailed surface surface studies, such as STM measurements, with atomically resolved images even on air-sensitive materials without a protective layer. Since the method can be applied to a wide range of materials, it is of great interest for various research areas such as optics, electronic transport, and surface and interface research. Since the method according to the invention does not require the melting of polymers or chemical solvents, it also represents an important step towards the production of van der Waals heterostructures under UV conditions.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum mechanischen Aufbau von Van-der-Waals-Heterostrukturen sowie einen Stempelsatz, der für den mechanischen Aufbau von Van-der-Waals-Heterostrukturen und insbesondere zur Durchführung des Verfahrens ausgelegt ist.

Description

BESCHREIBUNG
Verfahren zum mechanischen Aufbau von Van-der-Waals-Heterostrukturen sowie Stempelset
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum mechanischen Aufbau von Van-der-Waals-Heterostrukturen. Ferner betrifft die Erfindung ein Stempelsatz, der für den mechanischen Aufbau von Van-der-Waals-Heterostrukturen ausgelegt ist, insbesondere zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Der mechanische Aufbau von Van-der-Waals-Heterostrukturen ist eine Schlüsseltechnologie zur Untersuchung neuer Phänomene, die an den Grenzflächen zwischen verschiedenen 2D-Materialien auftreten. Die Popularität dieser Methode beruht auf der Einfachheit und Schnelligkeit, mit der Heterostrukturen in einer praktisch unendlichen Anzahl von möglichen Kombinationen aufgebaut werden können. Die ständige Nachfrage nach saubereren und besseren Bauelementen hat die sukzessive Verfeinerung der Aufbautechniken vorangetrieben, mit dem Ziel, die Kriterien Zuverlässigkeit, Sauberkeit und Qualität der Grenzflächen in immer größerem Maße zu erfüllen, obwohl gleichzeitig die Komplexität der Strukturen zunimmt. Derzeit sind das als „deterministic dry pick-up assembly“ bezeichnete Aufbauverfahren von 2D-Materialien und verwandte Techniken die am weitesten verbreiteten Aufbauverfahren in diesem Bereich. Sie bieten eine große Vielseitigkeit und liefern qualitativ hochwertige Heterostrukturen.
Bei dem als „deterministic dry pick-up assembly“ bezeichneten Aufbauverfahren wird ein Polydimethylsiloxan (PDMS)-Stempel, der mit einem Poly- merfilm bedeckt ist, verwendet, um einen abgeschälten bzw. exfolierten 2D-Kristall aufzunehmen. Während das Polymer des Polymerfilms in einem bestimmten Temperaturbereich eine starke Haftung aufweist, ist das PDMS weich und verhindert so, dass das aufgenommene 2D-Material zerbricht. Die Heterostruktur wird dann von oben nach unten in den endgültigen Stapel eingebaut, beginnend mit dem Material, das am Ende die oberste Schicht bilden wird. Im letzten Schritt wird die Heterostruktur durch Kontakt mit dem Zielsubstrat und Schmelzen des Polymers des Polymerfilms freigegeben. Alternativ kann auch ein Polymer verwendet werden, dessen thermoplastische Eigenschaften eine schmelzfreie Freisetzung ermöglichen.
Entscheidend ist, dass das als „deterministic dry pick-up assembly“ bezeichnete Aufbauverfahren einen vollständigen Kontakt zwischen dem Polymer des Polymerfilms und der Heterostrukturoberfläche erfordert, was unweigerlich zu Polymerrückständen auf der Heterostrukturoberfläche führt. Wenn die Heterostrukturoberfläche also aus einem reaktiven Material besteht, wird der Kontakt mit dem Polymer dessen Oberfläche angreifen. Eine Strategie zur Umgehung dieses Problems ist die Verwendung einer Schutzschicht in Form eines inerten Materials, das sich zwischen dem Polymer und dem reaktiven Material befindet. In diesem Fall können die Polymerrückstände mit einer Kombination von Lösungsmitteln wie Chloroform, Aceton oder Isopropanol und mit AFM-basierten Reinigungsmethoden von der Schutzschicht entfernt werden. Die Kombination dieser Reinigungsmethoden hat gezeigt, dass kontaminationsempfindliche oberflächenwissenschaftliche Techniken erfolgreich angewendet werden können. Allerdings können Schutzschichten aufgrund ihrer begrenzten Dicke die Zugänglichkeit des darunterliegenden Materials einschränken. Eine alternative Möglichkeit, den Kontakt des Polymers mit der Heterostrukturoberfläche zu vermeiden, besteht darin, die Van-der-Waals-Heterostruktur in umgekehrter Reihenfolge aufzubauen und sie nach dem Stapelungsprozess umzudrehen. Dieses Verfahren wird als „dry transfer-flip“-Technik bezeichnet. In diesem Fall wird die Van-der-Waals-Heterostruktur durch Schmelzen der beim Aufbau verwendeten Polymerschicht (Polypropylencarbonat, PPC) freigesetzt, wobei eine dicke PPC-Schicht unter der fertigen Heterostruktur zurückbleibt. Das PPC wird dann durch Erwärmen bei 250 °C im Vakuum entfernt.
Leider hat die „dry transfer-flip“-Technik auch einige Nachteile. Die aufgebaute Heterostruktur muss mehrere Stunden lang im Hochvakuum erwärmt werden, um die unter der Heterostruktur verbleibende PPC-Schicht zu entfernen, was atomare Defekte auf der Oberfläche der Heterostruktur verursachen kann. Außerdem ist die erforderliche von 250 °C mit 2D-Materialien, die sich bei dieser Temperatur zersetzen, nicht kompatibel. Schließlich ist die große Menge an PPC, die von der Unterseite der Heterostruktur sublimiert werden muss, mit Ultrahochvakuum (UHV) nicht kompatibel.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Stempelsatz und ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche die zuvor genannten Nachteile zumindest teilweise überwinden.
Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum mechanischen Aufbau von Van-der-Waals-Heterostrukturen, umfassend die Schritte a) Anordnen eines Polymerfilms auf einem Polymerelement eines ersten Stempels derart, dass der Polymerfilm einen Teil einer Öffnung einer an der Oberseite des Polymerelements vorgesehenen Vertiefung bedeckt, insbesondere etwa die Hälfte der Öffnung der Vertiefung des Polymerelementes, b) Anordnen eines Polymerfilms auf einer Polymerschicht eines zweiten Stempels derart, dass der Polymerfilm einen Teil einer Öffnung einer an der Oberseite der Polymerschicht vorgesehenen Ausnehmung bedeckt, insbesondere etwa die Hälfte der Öffnung der Ausnehmung der Polymerschicht, c) Aufnehmen einer auf einem Träger angeordneten Basisflocke mit dem ersten Stempel, indem der erste Stempel und die Basisflocke aufeinander zu bewegt, der die Öffnung der Vertiefung teilweise bedeckende Polymerfilm etwa mit der Hälfte der Basisflockenoberfläche in Kontakt gebracht und der erste Stempel mit der an dessen Polymerfilm anhaftenden Basisflocke und der T räger voneinander weg bewegt werden, d) Aufnehmen eines ersten, auf einem Träger angeordneten 2D-Kristalls mit dem ersten Stempel, indem der erste Stempel und der Kristall aufeinander zu bewegt, ein in Bewegungsrichtung fluchtend mit dem Polymerfilm angeordneter Teil der Oberfläche der Basisflocke mit der Oberfläche des Kristalls in Kontakt gebracht und dann der erste Stempel mit der an diesem gehaltenen Van-der-Waals-Heterostruktur, welche die Basisflocke und den an dieser anhaftenden Kristall aufweist, und der Träger voneinander weg bewegt werden, e) Bewegen des ersten Stempels und des zweiten Stempels aufeinander zu und Kontaktieren alleine der Oberfläche der Basisflocke mit dem Polymerfilm des zweiten Stempels, f) Abziehen des Polymerfilms des ersten Stempels von der Basisflocke, indem die Stempel in einer Richtung quer, insbesondere senkrecht zu derjenigen Richtung, in der die Stempel in Schritt e) bewegt wurden, relativ zueinander bewegt werden, woraufhin die Van-der-Waals-Heterostruktur auf dem zweiten Stempel verbleibt, g) Drehen des zweiten Stempels derart, dass die Basisflocke zu einem Zielsubstrat weist, h) Bewegen des zweiten Stempels und des Zielsubstrats aufeinander zu, bis die Basisflocke das Zielsubstrat berührt, und i) Abziehen des Polymerfilms des zweiten Stempels von der Basisflocke, indem die Stempel in einer Richtung quer, insbesondere senkrecht zu derje- nigen Richtung, in der die Stempel in Schritt h) bewegt wurden, relativ zueinander bewegt werden.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den in den Schritten c), d), e) und h) durchgeführten Bewegungen von Bauteilen aufeinander zu und/oder voneinander weg um Relativbewegungen handelt, die durch Bewegung beider entsprechenden Bauteile, bevorzugt aber durch Bewegung nur eines Bauteils herbeigeführt werden können. Diese Relativbewegungen erfolgen bevorzugt in vertikaler Richtung, vorteilhaft indem alleine das obere Bauteil bewegt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird unter Verwendung von zwei Stempeln durchgeführt. Der erste Stempel weist ein Polymerelement auf, das mit seiner Unterseite beispielsweise auf einem Objektträger aus Glas angeordnet sein kann und an seiner Oberseite mit einer Vertiefung versehen ist. Bevorzugt ist das Polymerelement kuppelförmig ausgebildet, wobei dann an der Oberseite der Kuppel die Vertiefung ausgebildet ist. Die Vertiefung ist vorteilhaft im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet ist und weist von oben betrachtet insbesondere eine Öffnungsfläche von etwa 500 x 500 pm2 auf. Der zweite Stempel umfasst eine sich horizontal erstreckende Polymerschicht, deren Unterseite beispielsweise auf einem Objektträger aus Glas angeordnet sein kann. An der Oberseite weist die Polymerschicht eine Ausnehmung auf, insbesondere in Form eines durchgehenden vertikalen Einschnitts oder Schnitts, der die Polymerschicht in zwei Teile teilt, wobei die Breite der Ausnehmung vorteilhaft etwa 200 pm beträgt. Das Polymerelement und die Polymerschicht sind bevorzugt aus einem Silikon hergestellt, insbesondere aus Polydimethylsiloxan (PDMS).
Die in den Schritten a) und b) auf den Stempeln angeordneten Polymerfilme dienen zum Aufnehmen, Kippen und Freigeben der aufzubauenden Van-der-Waals-Heterostruktur während der Durchführung der weiteren Verfahrensschritte. Als Polymerfilm kann beispielsweise eine handelsübliche Polyvinylchloridfolie verwendet werden, die bevorzugt zunächst auf einer Heizplatte eine Minute lang auf 130 °C erwärmt wird. Dieser Schritt ist dahingehend von Vorteil, dass eine unkontrollierte thermische Schrumpfung des PVC während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sicher verhindert werden kann. Die Anordnung der Polymerfolien auf dem Polymerelement des ersten Stempels und auf der Polymerschicht des zweiten Stempels erfolgt bevorzugt derart, dass die frei schwebende Fläche der Polymerschicht auf dem ersten Stempel größer ist als auf auf dem zweiten Stempel, wodurch eine stärkere Haftung zwischen Polymerfilm und Heterostruktur am zweiten Stempel verglichen mit dem ersten Stempel gefördert wird.
Zum Manipulieren des ersten Stempels und des zweiten Stempels insbesondere während der Durchführung der Schritte c) bis h) wird bevorzugt zumindest ein geeigneter Mikromanipulator eingesetzt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist gegenüber dem eingangs beschriebenen Stand der Technik dahingehend von Vorteil, dass es weder die Verwendung einer Schutzschicht noch andere Reinigungsmethoden wie Lösungsmittel oder AFM-Reinigung erfordert. Damit können Van-der-Waals-Heterostrukturen mit atomar sauberen Oberflächen bei vergleichsweise geringen Prozesstemperaturen erzielt werden.
Bevorzugt wird nach der Durchführung des Schrittes d) zumindest eine weitere auf einem sich horizontal erstreckenden Substrat angeordnete Kristallschicht mit dem ersten Stempel aufgenommen, indem der erste Stempel vertikal in Richtung der weiteren Kristallschicht abgesenkt, die Oberfläche der ersten Kristallschicht mit der Oberfläche der weiteren Kristallschicht in Kon- takt gebracht und dann der erste Stempel mit der an diesem gehaltenen van der Waals Heterostruktur, welche die Basisflocke, die erste Kristallschicht und die weitere Kristallschicht aufweist, wieder vertikal aufwärts bewegt wird.
Vorteilhaft werden die Schritte c) und d) bei einer Temperatur von etwa 70°C durchgeführt.
Die Schritte e) bis i) werden bevorzugt bei einer Temperatur von etwa 130°C durchgeführt.
Das Zielsubstrat ist bevorzugt aus einer Au und Ti aufweisenden Legierung hergestellt.
Vorteilhaft weist die Basisflocke eine Dicke von wenigstens 40nm auf, um die notwendige Steifigkeit und mechanische Unterstützung für die nachfolgenden Schichten der Heterostruktur zu gewährleisten.
Das Material der Basisflocke und/oder der Kristallschichten weist insbesondere Graphit und/oder NbSe2 und/oder MoS2 und/oder h-BN auf.
Ferner schafft die vorliegende Erfindung einen Stempelsatz, der für den mechanischen Aufbau von Van-der-Waals-Heterostrukturen ausgelegt ist und insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzt werden kann, umfassend zwei Stempel, wobei der erste Stempel ein Polymerelement aufweist, das an seiner Oberseite mit einer Vertiefung versehen ist, und wobei der zweite Stempel eine sich horizontal erstreckende Polymerschicht aufweist, die an ihrer Oberseite eine Ausnehmung aufweist, insbesondere in Form eines durchgehenden vertikalen Schnitts, der die Polymerschicht in zwei Teile teilt. Das Polymerelement des ersten Stempels ist gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kuppelförmig ausgebildet und an der Oberseite der Kuppel mit der Vertiefung versehen.
Bevorzugt sind das Polymerelement des ersten Stempels und die Polymerschicht des zweiten Stempels jeweils auf einem Objektträger aus Glas angeordnet.
Das Polymerelement und die Polymerschicht sind vorteilhaft aus einem Silikon hergestellt, insbesondere aus Polydimethylsiloxan (PDMS).
Die Vertiefung des Polymerelementes des ersten Stempels ist gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung im Wesentlichen oder quaderförmig ausgebildet und weist von oben betrachtet insbesondere eine Öffnungsfläche von etwa 500 x 500pm2 auf.
Die Ausnehmung der Polymerschicht des zweiten Stempels weist bevorzugt eine Breite von etwa 200 pm auf.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. Darin ist/sind
Figur 1 eine schematische erste Schnittansicht eines ersten Stempels eines Stempelsatzes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 2 eine schematische zweite Schnittansicht des in Figur 1 gezeigten ersten Stempels, wobei die gezeigte Schnittansicht gegenüber Figur 1 um 90° gedreht ist; Figur 3 eine schematische erste Schnittansicht eines zweiten Stempels des Stempelsatzes;
Figur 4 eine schematische zweite Schnittansicht des in Figur 3 gezeigten zweiten Stempels, wobei die gezeigte Schnittansicht gegenüber Figur 3 um 90° gedreht ist; und
Figuren 5 bis 14 schematische Ansichten, die aufeinanderfolgende Schritte eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Verwendung der in den Figuren 1 bis 4 dargestellten Stempel zeigen.
Gleiche Bezugsziffern bezeichnen nachfolgend gleiche oder gleichartige Bauteile.
Die Figuren 1 bis 4 zeigen zwei Stempel 2 und 3 eines Stempelsatzes 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der in den Figuren 1 und 2 dargestellte erste Stempel 2 weist ein vorliegend kuppelförmig ausgebildetes Polymerelement 4 auf, das auf einem Objektträger 5 positioniert ist, vorliegend aus einem Objektträger 5 aus Glas. An seiner Oberseite ist das Polymerelement 4 mit einer Vertiefung 6 versehen, die im dargestellten Fall im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet ist und von oben betrachtet eine Öffnungsfläche von etwa 500 x 500pm2 aufweist. Der in den Figuren 3 und 4 dargestellte zweite Stempel 3 umfasst eine sich horizontal erstreckende Polymerschicht 7, die ebenfalls auf einem Objektträger 5 positioniert ist und hier eine Dicke von 5mm aufweist. An ihrer Oberseite ist die Polymerschicht 7 mit einer Ausnehmung 8 versehen, die vorliegend die Form eines durchgehenden vertikalen Schnitts aufweist, der die Polymerschicht 7 in zwei Teile teilt. Die Ausnehmung 8 der Polymerschicht 7 weist bei der dargestell- ten Ausführungsform eine Breite B von etwa 200 m aufweist. Das Polymerelement 4 des ersten Stempels 2 und die Polymerschicht 7 des zweiten Stempels 3 sind bevorzugt aus einem Silikon hergestellt, vorliegend aus Polydimethylsiloxan (PDMS). Der erste Stempel 2 dient bei dem nachfolgend noch näher beschriebenen Verfahren zum Aufbau einer Van-der-Waals-Heterostruktur. Der zweite Stempel 3 wird zum Kippen und Ablösen der Van-der-Waals-Heterostruktur auf ein Zielsubstrat 9 eingesetzt.
Im einem nächsten Schritt wird ein Polymerfilm 10 hergestellt, der zum Aufnehmen, Kippen und Freigeben einer Van-der-Waals-Heterostruktur verwendet werden soll. Zu diesem Zweck wird beispielsweise eine handelsübliche Polyvinylchlorid (PVC)-Folie (RIKEN WRAP, Riken Fabro Corp) zunächst auf einer Heizplatte eine Minute lang auf 130 °C erwärmt. Diese Wärmebehandlung dient dazu, eine unkontrollierte thermische Schrumpfung des Polymerfilms während der Durchführung nachfolgender Verfahrensschritte zu verhindern. Nach der Wärmebehandlung wird der Polymerfilm 10 auf ein 1 x 1 cm2 großes Quadrat aus doppelseitigem Klebeband übertragen, wobei darauf geachtet werden sollte, dass der Polymerfilm 10 nicht zerknittert. Das doppelseitige Klebeband bietet Halt und Stabilität bei der Handhabung des Polymerfilms 10. Als Nächstes wird der Polymerfilm 10 in zwei Stücke geschnitten. Ein Stück wird auf das Polymerelement 4 des ersten Stempels 2, das andere auf die Polymerschicht 7 des zweiten Stempels 3 übertragen, wobei etwa die Hälfte der Vertiefung 6 und etwa die Hälfte der Ausnehmung 8 abdeckt werden, wie es in den Figuren 1 bis 4 gezeigt ist. Es hat sich herausgestellt, dass steifere Polymerfilme 10 eine stärkere Haftung aufweisen, was die Übertragung von Van-der-Waals-Heterostrukturen zwischen chemisch identischen Polymerfilmen 10 ermöglicht. Indem die Polymerfilme 10 auf den beiden Stempeln 2 und 3 so anordnen wurden, dass die suspendierte Fläche auf dem ersten Stempel 2 größer ist als auf dem zweiten Stempel 3, wird eine stärkere Haftung zwischen Polymer und Hete- rostruktur beim zweiten Stempel 3 im Vergleich zum ersten Stempel 2 gefördert.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Figuren 5 bis 14 der Aufbau einer Van-der-Waals-Heterostruktur 11 unter Einsatz eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Verwendung der in den Figuren 1 bis 4 dargestellten, jeweils mit einem Polymerfilm 10 versehenen Stempel 2 und 3 beschrieben.
In einem ersten Schritt wird eine Basisflocke 12 auf einem vorliegend auf 70°C erwärmten Träger 13 bereitgestellt, vorliegend einem SiC^-Träger. Die Basisflocke 12 besteht aus einem Van-der-Waals-Material. So kann es sich um eine Graphitflocke handeln, um nur ein Beispiel zu nennen. Die Dicke D der Basisflocke 12 sollte zumindest 40nm betragen, um die notwendige Steifigkeit und mechanische Unterstützung für die nachfolgenden Schichten der Heterostruktur 11 zu gewährleisten. Der erste Stempel 2 wird derart oberhalb der Basisflocke 12 positioniert, dass das Polymerelement 4 mit dem darauf angeordneten Polymerfilm 10 in Richtung der Basisflocke 12 weist, siehe Figur 5.
Anschließend wird der erste Stempel 2 unter Einsatz eines Mikromanipulators derart in Richtung des Pfeils 14 abgesenkt, dass der horizontal in die Vertiefung 6 vorstehende Bereich des Polymerfilms 10 des ersten Stempels 2 etwa die Hälfte der Basisflocke 12 berührt, wie es in Figur 6 dargestellt ist, woraufhin der erste Stempel 2 wieder vorsichtig senkrecht nach oben bewegt wird.
In einem weiteren Schritt wird der erste Stempel 2 mit der daran gehaltenen Basisflocke 12, wie es in Figur 7 gezeigt ist, oberhalb eines abgeschälten 2D-Kristalls 15 aus einem Van-der-Waals-Material positioniert, der auf einem vorliegend auf 70°C erwärmten Träger 13 angeordnet ist, vorliegend einem SiO2-Träger. Bei dem abgeschälten Kristall 15 kann es sich um einen NbSe2- oder einen M0S2- und/oder einen h-BN-Kristall handeln, um einige Beispiele zu nennen. Die Dicke des Kristalls 15 kann grundsätzlich frei gewählt werden.
Nunmehr wird der zweite Stempel 3 mit der Basisflocke 12 voran in Richtung des Kristalls 15 derart abwärts bewegt, wie es in Figur 7 durch den Pfeil 16 angedeutet ist, dass der unterhalb des Polymerfilms 10 angeordnete Abschnitt der Basisflocke 12 den Kristall 15 berührt, ohne dass der Kristall 15 seitlich über die Basisflocke 12 vorsteht, siehe Figur 8. Der Kristall wird dann durch Van-der Waals-Wechselwirkung aufgenommen, wodurch vorliegend die gewünschte Heterostruktur 11 gebildet wird. Es sollte allerdings klar sein, dass weitere Kristalle auf dem Kristall 15 der nunmehr erzeugten Heterostruktur 11 angeordnet werden können, indem die in den Figuren 7 und 8 dargestellten Schritte wiederholt werden.
Nachdem dem Aufbau der Van-der Waals-Heterostruktur 11 auf dem ersten Stempel 2 wird die Heterostruktur mit dem zweiten Stempel 3 umgedreht. Hierzu wird die Temperatur auf 130°C erhöht und der erste Stempel 2 oberhalb des zweiten Stempels 3 derart positioniert, dass das Polymerelement 4 des ersten Stempels 2 und die Polymerschicht 7 des zweiten Stempels 3 zueinander weisen, wie es in Figur 9 gezeigt ist.
Anschließend wird die Van-der Waals-Heterostruktur 11 durch Absenken des ersten Stempels 2 in Richtung des Pfeils 17 mit dem Polymerfilm 10 des zweiten Stempels 3 in Kontakt gebracht, wobei darauf geachtet wird, dass allein die freie Oberfläche der Basisflocke 12 den Polymerfilm 10 des zweiten Stempels 3 berührt, siehe Figur 10. Die Heterostruktur 11 wird dann auf den zweiten Stempel 3 übertragen, indem der erste Stempel 2 wie in Figur 11 gezeigt vorsichtig gedrückt und horizontal seitwärts in Richtung des Pfeils 18 bewegt wird, so dass der Polymerfilm 10 des ersten Stempels 2 von der Heterostruktur 11 abgezogen wird.
Anschließend wird der zweite Stempel 3 in Richtung der Pfeile 19 in Figur 11 umgedreht und mit dem Mikromanipulator derart oberhalb des Zielsubstrats 9 positioniert, dass die Heterostruktur 11 in Richtung des Zielsubstrats 9 weist, wie es in Figur 12 dargestellt ist. Bei dem Zielsubstrat 9 handelt es sich vorliegend um eine Au/Ti-Schicht, die auf einem Träger 13 positioniert ist, beispielsweise einem SiC^-Träger, der auf 130°C erwärmt ist.
In einem weiteren Schritt wird die Heterostruktur 11 durch Absenken des zweiten Stempels 3 in Richtung des in Figur 12 dargestellten Pfeils 20 in Kontakt mit dem Zielsubstrat 9 gebracht, siehe Figur 13.
In einem letzten Schritt wird der Polymerfilm 10 des zweiten Stempels 3 von der Heterostruktur 11 gelöst, indem der der zweite Stempel 3 langsam in Richtung des in Figur 13 dargestellten Pfeils 21 horizontal seitwärts bewegt wird, wie es in Figur 14 dargestellt ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dahingehend von Vorteil, dass es weder die Verwendung einer Schutzschicht noch andere Reinigungsmethoden wie Lösungsmittel oder AFM-Reinigung erfordert. Damit können Van-der-Waals-Heterostrukturen mit atomar sauberen Oberflächen bei vergleichsweise geringen Prozesstemperaturen erzielt werden.
Dank der Möglichkeit des Aufbaus von Heterostrukturen aus verschiedenen Materialien hat das erfindungsgemäße Verfahren eine breite Anwendbarkeit. Beispiele von Heterostrukturen, die auf gängigen Substraten für optische, Transport- und Oberflächencharakterisierungsexperimente aufgebaut sind, sind hexagonales Bornitrid (h-BN), Graphit oder M0S2. Darüber hinaus haben Untersuchungen ergeben, dass auch Materialien mit reaktiver Oberfläche wie NbSe2 als Substrate verwendet werden können, obwohl nur derjenige Bereich der Oberfläche, der nicht mit der Polymerfolie in Berührung kam, atomar sauber ist. Weitere versuche zeigten, dass die aufgebauten ultrasauberen Van-der-Waals-Heterostrukturen aus einer Vielzahl verschiedener Van-der-Waals-Materialien bestehen, die die Untersuchung von
(i) WSe2 auf Graphit, einem Übergangsmetall-Dichalcognid, von dem bekannt ist, dass es eine starke Spin-Bahn-Kopplung in Graphen induziert;
(ii) zweischichtigem Graphen auf h-BN
(iii) verdrilltes zweischichtiges Graphen auf M0S2, das zwei einzelne Gra- phen-Monolagen enthält, die nacheinander mit einem kontrollierten Verdrillungswinkel dazwischen aufgenommen wurden, was die gleichzeitige Untersuchung der stark korrelierten Physik von verdrilltem zweischichtigem Graphen und der durch das Übergangsmetall-Dichalcogenid induzierten starken Spin-Bahn-Kopplung ermöglicht;
(iv) Graphen auf CrSBr, wobei letzteres ein antiferromagnetischer 2D-Halbleiter ist, dessen elektronische Zwischenschichtkopplung magnetisch kontrolliert werden kann;
(v) WSe2 auf M0S2, eine Halbleiter-Heterostruktur, die intensiv auf ihre optoelektronischen Eigenschaften hin untersucht wurde; und
(vi) WTe2 auf NbSe2, eine Heterostruktur, die eindimensionale topologische Supraleitung aufweist.
Aus dem erfolgreichen Zusammenbau all dieser sehr unterschiedlichen Heterostrukturen kann geschlossen werden, dass das erfindungsgemäße Verfahren für eine breite Palette von Materialkombinationen geeignet. Um die Qualität der Grenzflächen der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren versuchsweise aufgebauten Van-der-Waals-Heterostrukturen zu beurteilen, wurden sowohl die Oberflächen- als auch die Zwischenschichtqualität betrachtet. Zu diesem Zweck wurden die aufgebauten Van-der-Walls-Heterostrukturen mit einem Kontakt-AFM (c-AFM) untersucht, wobei man sich auf diejenigen mit Deckschichten aus entweder einlagigem Graphen oder verdrilltem zweilagigem Graphen konzentrierte, da Graphen als atomar dünnes 2D-Material im Vergleich zu dickeren 2D-Materialien anfälliger für Falten und Knicke ist. Weniger optimale Aufbauverfahren führen zu mehr eingeschlossenen Blasen und Falten in Graphen, so dass verschiedene mechanische Aufbauverfahren verglichen werden konnten. Es wurden drei verschiedene Kriterien bewertet: Die Menge der an der Oberfläche verbleibenden Rückstände, die Anzahl und Fläche der eingeschlossenen Blasen an der Grenzfläche und mögliche Schäden an der obersten Schicht, beispielsweise in Form von Rissen. Es stellte sich heraus, dass eine umgekehrte Stapelung von Van-der-Waals-Heterostrukturen die oberste Oberfläche schützt, einen Bruch verhindert und zu einer geringeren Anzahl von eingeschlossenen Blasen führt. Darüber hinaus trägt die erhöhte Steifigkeit der Basisflocken zu besseren Grenzflächen bei, da Inhomogenitäten aufgrund der Elastizität des Polymerfilms vermieden werden. Wichtig ist, dass keine Spuren von Rückständen oder Beschädigungen auf der obersten Graphenschicht festgestellt werden konnten. Tatsächlich befinden sich die Oberflächenrückstände hauptsächlich an der Kontaktfront zwischen dem Polymerfilm und der Basisflocke.
Um die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielte Oberflächenqualität mit anderen Aufbauverfahren zu vergleichen, wurde eine Heterostruktur in regelmäßiger Stapelreihenfolge und mit Füllkontakt zwischen der Heterostrukturoberfläche und dem Polymerfilm aufgebaut, und zwar gemäß dem eingangs beschriebenen, als „ deterministic dry pick-up assembly“ bezeich- neten Verfahren. Die Oberfläche der montierten Gr/NbSe2/Graphit-Heterostruktur wies erhebliche Polymerrückstände sowie beschädigte Bereiche auf, in denen das Graphen teilweise zerbrochen war. Im Gegensatz dazu zeigten die erfindungsgemäß aufgebauten Van-der-Waals-Heterostrukturen eine Rauheit, die kleiner ist als das Rauschen des c-AFM (RMS = 0,74nm), was die Ebenheit der erfindungsgemäß aufgebauten Van-der-Waals-Heterostrukturen belegt.
Schließlich wurde die Oberflächenqualität und damit die Kompatibilität des erfindungsgemäßen Verfahrens mit verunreinigungsempfindlichen oberflächenwissenschaftlichen Techniken wie STM getestet. Zu diesem Zweck wurde eine BL WTe2/NbSe2 Van-der-Waals-Heterostruktur untersucht. Die Heterostruktur wurde in einer Argon-Atmosphäre in einer Glovebox aufgebaut und in einem Vakuumkoffer unter UHV-Bedingungen zum Niedertem- peratur-STM („ scanning tunneling microscopy“) transportiert. Das Ergebnis war NbSe2 ohne jegliche Oberflächenverunreinigungen und mit einer 3 x 3 Ladungsdichte-Wellenmodulation, die unterhalb von Tcow = 32K auftritt und bekanntermaßen sehr empfindlich auf externe Störungen reagiert. Auf die gleiche Weise konnten atomar aufgelöste Bilder der Doppelschicht WTe2 auf NbSe2 erzielt werden, die wiederum nur einzelne atomare Defekte zeigten.
Die Durchführung der Versuche erfolgte unter folgenden Bedingungen:
Zur Herstellung der Stempel wurden unter Einsatz eines kommerziellen PDMS-Elastomer-Kits (SYLGARD 184) eine polymere Basis und einen Aushärter im Verhältnis 10:1 (w/w) in einer Petrischale gemischt. Um das kuppelförmige Polymerelement für den ersten Stempel herzustellen, wurde die Petrischale mehrere Tage lang auf den Kopf gestellt, so dass die gemischte Flüssigkeit langsam einen Tropfen bildete und gleichzeitig aushärtete. Anschließend wurde die Vertiefung eingebracht. Zur Erzeugung der Ausneh- mung der Polymerschicht des zweiten Stempels wurde die auf dem Objektträger positionierte Polymerschicht mit einem Skalpell derart in zwei Teile geschnitten, dass die entstehende Ausnehmung den Objektträgerfreilegte.
Zur Herstellung der Proben wurden 2D-Kristalle auf 285nm SiO2/Si-Substrate aufgeschichtet. Die montierten Van-der-Waals-Heterostrukturen wurden entweder auf ein 285nm SiO2/Si-Substrat oder alternativ auf vorgedampfte 100nm/10nm Au/Ti-Drähte auf einem 285nm SiO2/Si-Substrat aufgebracht und für die STM-Messungen auf eine Standard-STM-Probenplatte montiert. Alle Proben wurden in einem mit Argon gefüllten Handschuhkasten hergestellt.
Rasterkraftmikroskopie (AFM)-Experimente wurden mit einem Bruker Innova Instrument unter Umgebungsbedingungen durchgeführt. Das AFM wurde im Kontaktmodus mit einer Sollkraft von ~6,2nN und einer Scangeschwindigkeit von 20pm s 1 verwendet. Die in den Experimenten verwendeten Tastspitzen waren vom Typ Bruker RESPA-20, mit einem nominalen Spitzenradius von 8nm und einer Federkonstante von 0,9Nm-1.
Die Rastertunneldaten wurden im Zentrum für Niedertemperaturphysik in Kosice im Ultrahochvakuum bei einem Basisdruck von ~1 x 10-10mbar und einer Basistemperatur von 1 ,14K mit einer mechanisch geschnittenen Au-Spitze aufgenommen.
Im Ergebnis schafft das erfindungsgemäße Verfahren eine Transfertechnik, die den Aufbau von Van-der-Waals-Heterostrukturen mit ultra-sauberen Oberflächen und Grenzflächen ermöglicht. Das Verfahren eignet sich für den Aufbau von Heterostrukturen in einem Handschuhkasten und kann daher auch für reaktive Materialien verwendet werden. Die hohe Qualität der resultierenden Van-der-Waals-Heterostrukturen ermöglicht detaillierte Oberflä- chenstudien, wie STM-Messungen, mit atomar aufgelösten Bildern selbst auf luftempfindlichen Materialien ohne Schutzschicht. Da das Verfahren auf eine breite Palette von Materialien angewendet werden kann, ist es für verschiedene Forschungsbereiche wie Optik, elektronischer Transport sowie Ober- flächen- und Grenzflächenforschung von großem Interesse. Da das erfindungsgemäße Verfahren weder das Schmelzen von Polymeren noch chemische Lösungsmittel erfordert, stellt es auch einen wichtigen Schritt in Richtung der Herstellung von Van-der-Waals-Heterostrukturen unter UV-Bedingungen dar.
Es sollte klar sein, dass die vorherige Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen nicht als einschränkend verstanden werden sollen. Vielmehr sind Änderungen und Ergänzungen möglich, ohne den durch die beiliegenden Ansprüche definierten Schutzbereich der vorliegenden Erfindung zu ver- lassen.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Verfahren zum mechanischen Aufbau von Van-der-Waals-Heterostrukturen (11), umfassend die Schritte a) Anordnen eines Polymerfilms (10) auf einem Polymerelement (4) eines ersten Stempels (2) derart, dass der Polymerfilm (10) einen Teil einer Öffnung einer an der Oberseite des Polymerelements (4) vorgesehenen Vertiefung (6) bedeckt, insbesondere etwa die Hälfte der Öffnung der Vertiefung (6) des Polymerelementes (4), b) Anordnen eines Polymerfilms (10) auf einer Polymerschicht (7) eines zweiten Stempels (3) derart, dass der Polymerfilm (10) einen Teil einer Öffnung einer an der Oberseite der Polymerschicht (7) vorgesehenen Ausnehmung (8) bedeckt, insbesondere etwa die Hälfte der Öffnung der Ausnehmung (8) der Polymerschicht (7), c) Aufnehmen einer auf einem Träger angeordneten Basisflocke (12) mit dem ersten Stempel (2), indem der erste Stempel (2) und die Basisflocke (12) aufeinander zu bewegt, der die Öffnung der Vertiefung (6) teilweise bedeckende Polymerfilm (10) etwa mit der Hälfte der Basisflockenoberfläche in Kontakt gebracht und der erste Stempel (2) mit der an dessen Polymerfilm (10) anhaftenden Basisflocke (12) und der Träger voneinander weg bewegt werden, d) Aufnehmen eines ersten, auf einem Träger angeordneten 2D-Kristalls (15) mit dem ersten Stempel (2), indem der erste Stempel (2) und der Kristall (15) aufeinander zu bewegt, ein in Bewegungsrichtung fluchtend mit dem Polymerfilm (10) angeordneter Teil der Oberfläche der Basisflocke (12) mit der Oberfläche des Kristalls (15) in Kontakt gebracht und dann der erste Stempel (2) mit der an diesem gehaltenen Van-der-Waals-Heterostruktur (11), welche die Basisflocke (12) und den an dieser anhaftenden Kristall (15) aufweist, und der Träger voneinander weg bewegt werden, e) Bewegen des ersten Stempels (2) und des zweiten Stempels (3) aufeinander zu und Kontaktieren alleine der Oberfläche der Basisflocke (12) mit dem Polymerfilm (10) des zweiten Stempels (3), f) Abziehen des Polymerfilms (10) des ersten Stempels (2) von der Basisflocke (12), indem die Stempel (2, 3) in einer Richtung quer, insbesondere senkrecht zu derjenigen Richtung, in der die Stempel (2, 3) in Schritt e) bewegt wurden, relativ zueinander bewegt werden, woraufhin die Van-der-Waals-Heterostruktur (11) auf dem zweiten Stempel (3) verbleibt, g) Drehen des zweiten Stempels (3) derart, dass die Basisflocke (12) zu einem Zielsubstrat (9) weist, h) Bewegen des zweiten Stempels (3) und des Zielsubstrats (9) aufeinander zu, bis die Basisflocke (12) das Zielsubstrat (9) berührt, und i) Abziehen des Polymerfilms (10) des zweiten Stempels von der Basisflocke, indem die Stempel in einer Richtung quer, insbesondere senkrecht zu derjenigen Richtung, in der die Stempel (2, 3) in Schritt h) bewegt wurden, relativ zueinander bewegt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass nach der Durchführung des Schrittes d) zumindest ein weiterer auf einem Träger (13) angeordneter 2D-Kristall (15) mit dem ersten Stempel (2) aufgenommen wird, indem der erste Stempel (2) und der weitere Kristall (15) aufeinander zu bewegt, die Oberfläche des ersten Kristalls (15) mit der Oberfläche der weiteren Kristalls (15) in Kontakt gebracht und dann der erste Stempel (2) mit der an diesem gehaltenen Wan-der-Waals-Heterostruktur (11), welche die Basisflocke (12), den ersten Kristall (15) und den weiteren Kristall (15) aufweist, und der Träger (13) voneinander weg bewegt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerfilme (10) aus Polyvinylchlorid hergestellt sind.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerfilme (10) vor der Durchführung der Schritte a) und b) wärmebehandelt werden, insbesondere bei etwa 130°C.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte c) und d) bei einer Temperatur von etwa 70°C durchgeführt werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte e) bis i) bei einer Temperatur von etwa 130°C durchgeführt werden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zielsubstrat (9) aus einer Au und Ti aufweisenden Legierung hergestellt ist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisflocke (12) eine Dicke (D) von wenigstens 40nm aufweist.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Basisflocke (12) und/oder des oder der Kristalle (15) Graphit und/oder NbSe2 und/oder MoS2 und/oder h-BN aufweist.
10. Stempelsatz (1), der für den mechanischen Aufbau von Van-der-Waals-Heterostrukturen (11) ausgelegt ist, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend zwei Stempel (2, 3), wobei der erste Stempel (2) ein Polymerelement (4) aufweist, das an seiner Oberseite mit einer Vertiefung (6) versehen ist, und wobei der zweite Stempel (3) eine insbesondere eben ausgebildete Polymerschicht (7) aufweist, die an ihrer Oberseite mit einer Ausnehmung (8) versehen ist, insbesondere in Form eines durchgehenden vertikalen Schnitts, der die Polymerschicht in zwei Teile teilt.
11. Stempelsatz (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymerelement (4) des ersten Stempels (2) kuppelförmig ausgebildet und an der Oberseite der Kuppel mit der Vertiefung (4) versehen ist.
12. Stempelsatz (1) nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Polymerelement (4) des ersten Stempels (2) und die Polymerschicht (7) des zweiten Stempels (3) jeweils auf einem Objektträger (5) aus Glas angeordnet sind.
13. Stempelsatz (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymerelement (4) und die Polymerschicht (7) aus einem Silikon, insbesondere aus Polydimethylsiloxan (PDMS) hergestellt sind.
14. Stempelsatz (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (6) des Polymerelementes (4) des ersten Stempels (2) im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet ist und von oben betrachtet insbesondere eine Öffnungsfläche von etwa 500 x 500 pm2 aufweist.
15. Stempelsatz (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (8) der Polymerschicht (7) des zweiten Stempels (3) eine Breite (B) von etwa 200 pm aufweist.
12
ERSATZBLATT (REGEL 26) 3/3
Fig. 14
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