导电原子力显微镜的莫尔成像
J. Kerfoot1*, V. V. Korolkov1
1Park Systems UK Ltd, MediCity Nottingham, D6 Thane Rd, Nottingham, UK, NG90 6BH
介绍
导电原子力显微镜 (C-AFM) 是一种能够在电流中获取具有纳米级空间分辨率和皮安级分辨率的电流映射技术。由于电流是从计算到能量收集等众多技术的基础，因此 C-AFM 不仅在基础研究方面得到应用，而且在设备改进和故障分析方面都有许多应用。在这里，我们通过研究扭曲控制的层状材料异质结构来举例说明 C-AFM 的高精分辨率。
当两个具有固定空间周期性的刚性层重叠时，可以观察到莫尔图案。这些特征的对称性取决于覆盖层的对称性，而周期性取决于周期莫尔成像与两个特征的导电原子力显微镜的不匹配以及它们之间的角度。近来，莫尔图案因其对层状材料异质结构（即扭曲电子领域）的功能特性的影响而受到广泛关注。
图 1. C-AFM 的简化示意图，其中探针和样品之间的相互作用由接触模式或 PinPointTM AFM 控制。除了提取形貌之外，还提取了针尖和样品之间的电流图。
在层状材料异质结构中探索莫尔图案的一个突出例子是六方氮化硼 (hBN) 上的单层石墨烯 (SLG)，其中使用 hBN 作为衬底和 SLG 的密封剂可以实现制造抑制污染物诱导掺杂影响的器件，产生先进的性能特征，例如迁移率。对于 hBN 上的 SLG，由于 hBN 和 SLG 之间的六角对称性和小的空间失配(~ 2%)，可以看到六角莫尔图案，见图 2(b)-2(d)。通过在热生长的 SiO2 上剥离 hBN（HQ 石墨烯）和石墨烯来制造样品，然后使用聚合物印模顺序拾取薄片并将其转移到预沉积触点上。通过溶剂浸渍去除聚合物残留物，然后通过在感兴趣区域执行接触式 AFM 以机械方式去除聚合物残留物后，使用带有 Multi75E 探针的 Park FX40 自动 AFM 上的 C-AFM 测量样品，见图2(e)和2(f)。
图2. 使用 Park Systems FX40 自动 AFM (a)，C-AFM 测量在接触模式下进行，以绘制莫尔图案的形态。 hBN (c) 上的 SLG (b) 异质结构是通过堆叠机械剥离的薄片产生的。 hBN 和 SLG 相似的晶格常数会产生莫尔图案，如扭曲异质结构 (d) 所示。 将电极应用于基板并通过接触模式 (e) 控制针尖-样品相互作用，可以测量在恒定电压下获取的电流图 (f)，由于 hBN 和 SLG 的空间调制堆叠登记，它显示出六角莫尔图案。
实验和结果
C-AFM 使用与接触式 AFM 相同的设置（具有相关的机械设定点：SPMech），通过反馈回路在恒定的机械负载下保持针尖与表面接触，这也允许提取形貌。通过对样品施加电接触并使用导电探针，可以在针尖-样品连接处测量电流，并以亚纳米分辨率在空间上进行映射。这种 SLG/hBN 的电流图(见图 2(f) 和 3(a))揭示了一个六边形的莫尔图案，与晶格以更平行的方式堆叠的中心区域相比，在域之间的壁网络中观察到更高的电流区域。AFM 图像中此类特征的对比度可以通过优化 SPMech、针尖和样品之间施加的电压 (VTS)、增加扫描速率以抑制热漂移以及通过施加更高的短脉冲和受控脉冲来改变针尖的状态来优化电压。在优化上述采集参数后，可以获取显示纳米级波纹的电流图(见图 3(a))，提取的线轮廓(见图 3(b))显示出显着的一致性。
通常，在层状材料异质结构中，层内键合产生的层内力强于范德华相互作用产生的层间力。 出于这个原因，层状材料异质结构通常表现出莫尔图案，因为更强的层内相互作用会产生相对刚性的层，即使小的松弛可能导致有利的层间粘附能量，这些层也不会被破坏。然而，在某些特殊情况下，层状材料异质结构可能会在具有相同或相似晶格常数和边缘扭曲角（通常<2°）的层之间形成，使得层间相互作用足以引起层内结构的变化， 被称为原子重建，并由 Weston 等人首次在 2L-MoS2 (0°) 中展示。
图 3. 使用 C-AFM，使用 Multi75E 探针，在 VTS = -1 V 和 SPMech = 2 V (~ 260 nN) 下测量了 hBN 上 SLG 的电流图 (a)，如图2所示，在当前形貌中没有显示形貌对比，而是显示出均匀的六边形莫尔图案。 为了测量莫尔周期，以接近快速扫描方向 (b) 的角度获取线轮廓，在局部电流最大值之间提取平均间距为 2.20 nm。
我们使用所谓的“撕裂和堆叠”方法制作此类样品，方法是首先使用透明胶带在聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 上剥离 1L-MoS2（SPI 供应）。然后将薄片部分地与新切割的高度定向热解石墨 (HOPG) 表面接触并缩回，这样薄片就会破裂，在 PDMS 上剩余的 1L-MoS2 与第一个薄片对齐之前，部分留在 HOPG 上，并且堆在上面。通过打破和重新堆叠相同的薄片，可以确定地控制两层之间的扭曲角（此处使用 0°）。在使用 C-AFM 测量之前，样品在空气中退火至 150 °C 5 分钟，然后冷却至室温，并使用接触式 AFM 进行扫描，以促进去除顶部 MoS2 表面和埋入界面的污染物。
使用 C-AFM（见图 4）测量 HOPG 上清洁的 2L-MoS2 (0°)，VTS = -0.5 V 和 SPMech = 0.5 V (~ 65 nN)，在电流和横向力通道中观察到规则三角形区域（见图 4 (d) 和 (e)），但不在形貌中（见图 4c）。具有“AB”和“BA”堆叠处的当前域之间的对比与文献中的观察结果非常一致。 除了电流图之外，还在横向力图像（悬臂平行于扫描方向和垂直于悬臂的偏转）中测量了对比度，这意味着尖端和 2L-MoS2 在不同域之间的机械相互作用存在差异。
图 4. 通过在 HOPG 上确定性地破坏和重新堆叠单个机械剥离的 1L-MoS2 (a)，可以使用 C-AFM (b) 研究 2L-MoS2 的平行堆叠 (0°)。 虽然在形貌通道 (c) 中没有观察到对比，但由于堆叠处不同，在当前形貌图 (d) 和横向力地图 (e) 中都观察到了规则的三角形图案。
比较 HOPG 样品上相同 2L-MoS2 (0°) 的不同区域，观察到相对规则的三角形畴形态区域（见图 4(d））以及更扭曲的结构（见图 5(a)），我们将其归因于不均匀分布样品制造过程中机械引起的应变。除了测量这些畴的形态之外，C-AFM允许从隔离位置测量尖端和样品之间的结的电流-电压特性。通过在预先映射的区域内执行点电流电压测量阵列，可以测量特定域的电流电压图，如图 5(b) 所示，以隔离特定处的属性并深入了解局部变化如何影响完整设备的性能。
结论
总之，我们已经证明，C-AFM 能够以纳米级分辨率测量导电样品中的空间调制功能特性，并通过映射和光谱测量高度相关的功能特性。C-AFM 的优势在于它提供了纳米尺度材料的电学特性信息，这与光谱学和器件表征技术是互补的，这对于探索扭曲层状材料异质结构的基本特性和在 晶体管、忆阻器、光电探测器和发光二极管等器件的优化。
Figure 5. For the same parallel stacked 2L-MoS2/HOPG sample shown in figure 4, a larger area current map was measured, revealing less regular distorted domains (a). By positioning the probe over specific domains, current-voltage curves may be measured (b), revealing differing characteristics over regions of high and low current contrast
参考文献
[1] R. Ribeiro-Palau et al. Science 361, 6403, 690 (2018).
[2] Y. Cao et al. Nature 556, 80 (2018).
[3] C. Dean et al. Nat. Nanotechnol. 5, 722 (2010).
[4] D. G. Purdie et al. Nat. Commun. 9, 5387 (2018).
[5] C. Woods et al. Nature Phys. 10, 451 (2014).
[6] A. Davies et al. Nano Lett. 18, 1, 498 (2018).
[7] V. V. Enaldiev et al. PRL 124, 206101 (2020).
[8] A. Weston et al. Nat. Nanotechnol. 15, 592 (2020).
[9] A. Weston et al. Nat. Nanotechnol. 17, 390 (2022).
[10] K. Kim et al. Nano Lett. 16, 3, 1989 (2016).
[11] M. R. Rosenberger et al. ACS Nano 14, 4, 4550 (2020).