High mobility electron gases confined at material interfaces have been a venue for major discoveries in condensed matter physics. Ultra-high vacuum (UHV) technologies played a key role in creating such high-quality interfaces. The advent of two-dimensional (2D) materials brought new opportunities to explore exotic physics in flat lands. UHV technologies may once again revolutionize research in low dimensions by facilitating the construction of ultra-clean interfaces with a wide variety of 2D materials. Here, we describe the design and operation of a UHV 2D material device fabrication system, in which the entire fabrication process is performed under pressure lower than 5 × 10−10 mbar. Specifically, the UHV system enables the exfoliation of atomically clean 2D materials. Subsequent in situ assembly of van der Waals heterostructures produces high-quality interfaces that are free of contamination. We demonstrate functionalities of this system through exemplary fabrication of various 2D materials and their heterostructures.

1.
K. S.
Novoselov
,
A.
Mishchenko
,
A.
Carvalho
, and
A. H.
Castro Neto
,
Science
353
,
aac9439
(
2016
).
2.
N.
Mounet
,
M.
Gibertini
,
P.
Schwaller
,
D.
Campi
,
A.
Merkys
,
A.
Marrazzo
,
T.
Sohier
,
I. E.
Castelli
,
A.
Cepellotti
,
G.
Pizzi
, and
N.
Marzari
,
Nat. Nanotechnol.
13
,
246
(
2018
).
3.
Y.
Cao
,
V.
Fatemi
,
S.
Fang
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
E.
Kaxiras
, and
P.
Jarillo-Herrero
,
Nature
556
,
43
(
2018
).
4.
M.
Serlin
,
C. L.
Tschirhart
,
H.
Polshyn
,
Y.
Zhang
,
J.
Zhu
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
L.
Balents
, and
A. F.
Young
,
Science
367
,
900
(
2020
).
5.
T.
Li
,
S.
Jiang
,
B.
Shen
,
Y.
Zhang
,
L.
Li
,
Z.
Tao
,
T.
Devakul
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
L.
Fu
,
J.
Shan
, and
K. F.
Mak
,
Nature
600
,
641
(
2021
).
6.
A.
Favron
,
E.
Gaufrès
,
F.
Fossard
,
A.-L.
Phaneuf-L’Heureux
,
N. Y.-W.
Tang
,
P. L.
Lévesque
,
A.
Loiseau
,
R.
Leonelli
,
S.
Francoeur
, and
R.
Martel
,
Nat. Mater.
14
,
826
(
2015
).
7.
L.
Sun
,
C.
Chen
,
Q.
Zhang
,
C.
Sohrt
,
T.
Zhao
,
G.
Xu
,
J.
Wang
,
D.
Wang
,
K.
Rossnagel
,
L.
Gu
,
C.
Tao
, and
L.
Jiao
,
Angew. Chem., Int. Ed.
56
,
8981
(
2017
).
8.
D.
Shcherbakov
,
P.
Stepanov
,
D.
Weber
,
Y.
Wang
,
J.
Hu
,
Y.
Zhu
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
Z.
Mao
,
W.
Windl
,
J.
Goldberger
,
M.
Bockrath
, and
C. N.
Lau
,
Nano Lett.
18
,
4214
(
2018
).
9.
M. H.
Gass
,
U.
Bangert
,
A. L.
Bleloch
,
P.
Wang
,
R. R.
Nair
, and
A. K.
Geim
,
Nat. Nanotechnol.
3
,
676
(
2008
).
10.
C. T.
Pan
,
R. R.
Nair
,
U.
Bangert
,
Q.
Ramasse
,
R.
Jalil
,
R.
Zan
,
C. R.
Seabourne
, and
A. J.
Scott
,
Phys. Rev. B
85
,
045440
(
2012
).
11.
Z.
Peng
,
R.
Yang
,
M. A.
Kim
,
L.
Li
, and
H.
Liu
,
RSC Adv.
7
,
27048
(
2017
).
12.
S. J.
Haigh
,
A.
Gholinia
,
R.
Jalil
,
S.
Romani
,
L.
Britnell
,
D. C.
Elias
,
K. S.
Novoselov
,
L. A.
Ponomarenko
,
A. K.
Geim
, and
R.
Gorbachev
,
Nat. Mater.
11
,
764
(
2012
).
13.
H.
Lüth
,
Surfaces and Interfaces of Solid Materials
(
Springer
,
Berlin, Heidelberg
,
1995
).
14.
L.
Li
,
Y.
Yu
,
G. J.
Ye
,
Q.
Ge
,
X.
Ou
,
H.
Wu
,
D.
Feng
,
X. H.
Chen
, and
Y.
Zhang
,
Nat. Nanotechnol.
9
,
372
(
2014
).
15.
Y.
Cao
,
A.
Mishchenko
,
G. L.
Yu
,
E.
Khestanova
,
A. P.
Rooney
,
E.
Prestat
,
A. V.
Kretinin
,
P.
Blake
,
M. B.
Shalom
,
C.
Woods
,
J.
Chapman
,
G.
Balakrishnan
,
I. V.
Grigorieva
,
K. S.
Novoselov
,
B. A.
Piot
,
M.
Potemski
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
S. J.
Haigh
,
A. K.
Geim
, and
R. V.
Gorbachev
,
Nano Lett.
15
,
4914
(
2015
).
16.
K.
Kang
,
K.-H.
Lee
,
Y.
Han
,
H.
Gao
,
S.
Xie
,
D. A.
Muller
, and
J.
Park
,
Nature
550
,
229
(
2017
).
17.
A. J.
Mannix
,
A.
Ye
,
S. H.
Sung
,
A.
Ray
,
F.
Mujid
,
C.
Park
,
M.
Lee
,
J.-H.
Kang
,
R.
Shreiner
,
A. A.
High
,
D. A.
Muller
,
R.
Hovden
, and
J.
Park
,
Nat. Nanotechnol.
17
,
361
(
2022
).
18.
Z.
Sun
,
X.
Han
,
Z.
Cai
,
S.
Yue
,
D.
Geng
,
D.
Rong
,
L.
Zhao
,
Y.-Q.
Zhang
,
P.
Cheng
,
L.
Chen
,
X.
Zhou
,
Y.
Huang
,
K.
Wu
, and
B.
Feng
,
Sci. Bull.
67
,
1345
(
2022
).
19.
L.
Bruschi
,
A.
Carlin
,
F. B.
de Mongeot
,
F.
dalla Longa
,
L.
Stringher
, and
G.
Mistura
,
Rev. Sci. Instrum.
76
,
023904
(
2005
).
20.
Y.
Huang
,
E.
Sutter
,
N. N.
Shi
,
J.
Zheng
,
T.
Yang
,
D.
Englund
,
H.-J.
Gao
, and
P.
Sutter
,
ACS Nano
9
,
10612
(
2015
).
21.
G. Z.
Magda
,
J.
Pető
,
G.
Dobrik
,
C.
Hwang
,
L. P.
Biró
, and
L.
Tapasztó
,
Sci. Rep.
5
,
14714
(
2015
).
22.
S. B.
Desai
,
S. R.
Madhvapathy
,
M.
Amani
,
D.
Kiriya
,
M.
Hettick
,
M.
Tosun
,
Y.
Zhou
,
M.
Dubey
,
J. W.
Ager
,
D.
Chrzan
, and
A.
Javey
,
Adv. Mater.
28
,
4053
(
2016
).
23.
Y.
Huang
,
Y.-H.
Pan
,
R.
Yang
,
L.-H.
Bao
,
L.
Meng
,
H.-L.
Luo
,
Y.-Q.
Cai
,
G.-D.
Liu
,
W.-J.
Zhao
,
Z.
Zhou
,
L.-M.
Wu
,
Z.-L.
Zhu
,
M.
Huang
,
L.-W.
Liu
,
L.
Liu
,
P.
Cheng
,
K.-H.
Wu
,
S.-B.
Tian
,
C.-Z.
Gu
,
Y.-G.
Shi
,
Y.-F.
Guo
,
Z. G.
Cheng
,
J.-P.
Hu
,
L.
Zhao
,
G.-H.
Yang
,
E.
Sutter
,
P.
Sutter
,
Y.-L.
Wang
,
W.
Ji
,
X.-J.
Zhou
, and
H.-J.
Gao
,
Nat. Commun.
11
,
2453
(
2020
).
24.
Y.
Yu
,
L.
Ma
,
P.
Cai
,
R.
Zhong
,
C.
Ye
,
J.
Shen
,
G. D.
Gu
,
X. H.
Chen
, and
Y.
Zhang
,
Nature
575
,
156
(
2019
).
25.
Z. H.
Ni
,
H. M.
Wang
,
J.
Kasim
,
H. M.
Fan
,
T.
Yu
,
Y. H.
Wu
,
Y. P.
Feng
, and
Z. X.
Shen
,
Nano Lett.
7
,
2758
(
2007
).
26.
J.-Y.
You
,
Z.
Zhang
,
B.
Gu
, and
G.
Su
,
Phys. Rev. Appl.
12
,
024063
(
2019
).
27.
J.
Sun
,
X.
Zhong
,
W.
Cui
,
J.
Shi
,
J.
Hao
,
M.
Xu
, and
Y.
Li
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
22
,
2429
(
2020
).
28.
A.
Syed Mohd
,
S.
Pütter
,
S.
Mattauch
,
A.
Koutsioubas
,
H.
Schneider
,
A.
Weber
, and
T.
Brückel
,
Rev. Sci. Instrum.
87
,
123909
(
2016
).
29.
C. D.
Zhang
,
J. C.
Lian
,
W.
Yi
,
Y. H.
Jiang
,
L. W.
Liu
,
H.
Hu
,
W. D.
Xiao
,
S. X.
Du
,
L. L.
Sun
, and
H. J.
Gao
,
J. Phys. Chem. C
113
,
18823
(
2009
).
30.
B.
Kiraly
,
N.
Hauptmann
,
A. N.
Rudenko
,
M. I.
Katsnelson
, and
A. A.
Khajetoorians
,
Nano Lett.
17
,
3607
(
2017
).
31.
Y.
Nakata
,
K.
Sugawara
,
A.
Chainani
,
H.
Oka
,
C.
Bao
,
S.
Zhou
,
P.-Y.
Chuang
,
C.-M.
Cheng
,
T.
Kawakami
,
Y.
Saruta
,
T.
Fukumura
,
S.
Zhou
,
T.
Takahashi
, and
T.
Sato
,
Nat. Commun.
12
,
5873
(
2021
).
32.
C. J.
Sayers
,
H.
Hedayat
,
A.
Ceraso
,
F.
Museur
,
M.
Cattelan
,
L. S.
Hart
,
L. S.
Farrar
,
S.
Dal Conte
,
G.
Cerullo
,
C.
Dallera
,
E.
Da Como
, and
E.
Carpene
,
Phys. Rev. B
102
,
161105
(
2020
).
33.
H. C. P.
Movva
,
A.
Rai
,
S.
Kang
,
K.
Kim
,
B.
Fallahazad
,
T.
Taniguchi
,
K.
Watanabe
,
E.
Tutuc
, and
S. K.
Banerjee
,
ACS Nano
9
,
10402
(
2015
).
34.
E. J.
Telford
,
A.
Benyamini
,
D.
Rhodes
,
D.
Wang
,
Y.
Jung
,
A.
Zangiabadi
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
S.
Jia
,
K.
Barmak
,
A. N.
Pasupathy
,
C. R.
Dean
, and
J.
Hone
,
Nano Lett.
18
,
1416
(
2018
).
35.
Y.
Jung
,
M. S.
Choi
,
A.
Nipane
,
A.
Borah
,
B.
Kim
,
A.
Zangiabadi
,
T.
Taniguchi
,
K.
Watanabe
,
W. J.
Yoo
,
J.
Hone
, and
J. T.
Teherani
,
Nat. Electron.
2
,
187
(
2019
).
36.
F.-Y.
Shih
,
S.-Y.
Chen
,
C.-H.
Liu
,
P.-H.
Ho
,
T.-S.
Wu
,
C.-W.
Chen
,
Y.-F.
Chen
, and
W.-H.
Wang
,
AIP Adv.
4
,
067129
(
2014
).
37.
V.
Zolatanosha
and
D.
Reuter
,
Microelectron. Eng.
180
,
35
(
2017
).
You do not currently have access to this content.