从莫尔图案到非常规超导：低温强磁场原子力显微镜解密其微观性质
发布日期：2023-06-26
近年来，莫尔系统已成为二维材料研究领域的一个新前沿，该类材料通常由双层结构晶格之间的轻微错位引起，具有超晶格周期性结构。莫尔图案的形成除了各个层之间的轻微晶格常数不匹配外，另一种方法是将两个单独的层相对于彼此以小角度扭曲或旋转。这种现象在扭曲的双层石墨烯中尤为明显，产生的莫尔图案显著改变了材料的电子性质，导致在1.1°的魔角下出现非常规超导性。
了解莫尔系统在不同温度和磁场下的微观性质，对于理解其所表现出的各种电子现象例如关联绝缘体状态和非常规超导性至关重要。德国attocube公司的扫描探针显微镜（SPM），包括导电探针原子力显微镜（ct-AFM）、开尔文探针显微镜（KPFM）和压电力显微镜（PFM）是在低温强磁场下高空间分辨率研究莫尔系统的关键技术。在本应用案例中，研究者在一种经典的双层莫尔结构（石墨烯/hBN）上演示了attocube公司的扫描探针显微镜attoAFM I如何在不同的温度和强磁场下工作，首先使用KPFM（开尔文探针显微镜）识别感兴趣区域，然后用ct-AFM（导电力显微镜）和PFM（压电力显微镜）揭示其局部电学和机电特性。
KPFM测量
不同二维材料的层数识别可以通过AFM对它们之间台阶高度的定量分析来实现。然而，这种方法需要对任何吸收的表面层或污染物进行仔细分析和校正。基于导电模式的SPM成像是一种更为简单的区分二维材料晶粒的工具。KPFM可以绘制样品的表面电势，根据电性能的变化来区分不同层的厚度。KPFM利用导电AFM尖端，在样品和探针之间施加交流电压对样品表面进行扫描，不仅可以检测由此产生的静电力还可以用于测量表面电势。KPFM的两种主要检测模式是调幅KPFM（AM-KPFM）和调频KPFM（FM-KPFM），其中调幅模式可以根据振荡幅度的变化检测静电力，调频记录频率变化，从而获得静电力的导数。
从石墨烯/hBN异质结构获得的FM-KPFM信号如图1a所示，相应的形貌图像如图1b所示。仅形貌图像不能区分单层和双层石墨烯或暴露在石墨烯薄片之间的hBN。然而，图1a中的KPFM图像清楚地揭示了单层、双层石墨烯和hBN表面电势的变化，使得区分它们成为可能。图1c为KPFM信号的线形图，单层（ML）和双层（BL）石墨烯的接触电势差（CPD）为∆V~43mV，与之前的报道一致[1,2]。双层石墨烯的KPFM信号增强来自于两个石墨烯层之间的层间电势差。单层石墨烯和扭曲的双层石墨烯可能由于层之间的扭曲角度不同，接触电势差不同。hBN的大带隙导致比石墨烯更低的电导率和更高的表面电势，因此KPFM信号高于石墨烯的KPFM信号，如图1a所示。
图1 ：石墨烯/hBN异质结构的KPFM图像。a） FM-KPFM图像。ML、BL和hBN分别对应于单层石墨烯、双层石墨烯和六方氮化硼。b） 对应于（a）的地形AFM图像。c） KPFM信号沿（a）中所示黄色虚线的线形。
ct-AFM测量
ct-AFM可以用来探测石墨烯/hBN异质结构的局部电响应, ct-AFM能够对样品被施加的偏置电压的电学响应进行扫描成像测量。该技术在施加偏置电压的同时以接触模式在样品表面上扫描导电尖端，然后检测尖端和样品之间的电流，该电流与材料的局部电导率成正比。图2a显示了石墨烯/hBN异质结构的AFM图像，单层石墨烯是使用化学蒸汽沉积的方法生长在hBN上的。单层石墨烯区域被沉积过程中产生的边界分隔开。hBN的晶格常数比石墨烯高1.8%，导致在石墨烯/hBN异质结构中形成莫尔图案。图2b-c显示在70K下测量的单层石墨烯上莫尔图案的ct-AFM图像。如图2d所示，图2c中图像的线轮廓显示莫尔条纹图案具有15±1 nm的周期性。由于样品是通过CVD方法生长的，单层石墨烯在hBN上外延生长，两层之间的排列角精确的为0°，这会形成具有14 nm周期的莫尔晶格[3]，与我们的ct-AFM测量结果一致。
图2： 莫尔超晶格的导电AFM图像。a） 石墨烯/hBN异质结构的形貌图像。b-c）70 K下莫尔条纹的ct-AFM图像。d）沿（c）中所示虚线的电流信号的强度分布图。
PFM 测量
PFM技术可以探测石墨烯/hBN异质结构的局部机电响应，PFM基于反压电效应测量材料的压电响应。向材料施加交流电场导致其局部周期性变形，这种变形可以通过与样品表面接触的AFM尖端来检测。之前研究表明，所有莫尔超晶格，无论是否存在在组成层中都具有反转对称性，当受到平面外电场时会表现出机械响应[4]。对石墨烯/hBN异质结构的研究结果显示，图3中的PFM图像结果显示莫尔图案不仅有导电响应，而且有压电响应，证明PFM非常适合研究二维材料的电学性质。
图3： 石墨烯/hBN异质结构中莫尔超晶格的PFM图像。
低振动attoDRY低温强磁场系统中的attoAFM I结合了所有必要的扫描探针技术，可以促进对层间扭曲以及不同温度和磁场下的二维层状材料的研究与探索。这些低温磁场与扫描成像集成的技术提供了强大的实验手段来获得对材料的物理机制和潜在应用更全面的理解。
图4. 低温强磁场原子力磁力显微镜以及attoDRY2100低温恒温器
低温强磁场原子力磁力显微镜attoAFM/MFM I主要技术特点：
-温度范围：1.8K ..300 K
-磁场范围：0...9T (取决于磁体, 可选12T，9T-3T矢量磁体等)
-工作模式：AFM（接触式与非接触式）, MFM
-样品定位范围：5×5×4.8 mm3
-扫描范围: 50×50 μm2@300 K, 30×30 μm2@4 K
-商业化探针
-可升级KPFM, PFM, ct-AFM, CFM，cryoRAMAN, atto3DR等功能
参考文献：
[1] O. Kazakova et al., Epitaxial Graphene and Graphene–Based Devices Studied by Electrical Scanning Probe Microscopy. Crystals 3, 191 (2013).
[2] D. Ziegler et al., Variations in the work function of doped single- and few-layer graphene assessed by Kelvin probe force microscopy and density functional theory. Phys. Rev. B 83, 235434 (2011).
[3] M. Yankowitz et al., Emergence of superlattice Dirac points in graphene on hexagonal boron nitride. Nature Phys 8, 382 (2012).
[4] L. J. McGilly et al., Visualization of moiré superlattices. Nat. Nanotechnol. 15, 580 (2020).
