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
).