تظهر زوايا الالتواء المحلية في الجرافين

أعاد نشره أفلاطون

المتابعون: 0

رسم تخطيطي لكيفية تصور الطريقة بشكل مباشر للتغيرات في زوايا الالتواء المحلية في المواد الملتوية ثنائية الأبعاد — تطور مختلف: رسم تخطيطي يوضح كيف تصور الطريقة بشكل مباشر الاختلافات في زوايا الالتواء المحلية في المواد الملتوية ثنائية الأبعاد. كشفت التقنية الجديدة عن اختلافات واضحة في زوايا الالتواء المحلية في الجرافين الملتوي ثنائي الطبقة. (بإذن من: إس تشو)

إن تكديس طبقات من المواد ثنائية الأبعاد فوق بعضها البعض وتغيير زاوية الالتواء بينها يؤدي إلى تغيير خصائصها الإلكترونية بشكل كبير. الحيلة هي أن تحصل على زاوية الالتواء بشكل صحيح، وأن تعرف متى قمت بذلك. وقد طور الباحثون في الصين الآن تقنية تساعد في الجزء الثاني من هذا التحدي. من خلال السماح للعلماء بتصور الاختلافات في زوايا الالتواء المحلية بشكل مباشر، تسلط التقنية الجديدة الضوء على البنية الإلكترونية للمواد الملتوية وتسريع تطوير الأجهزة التي تستغل خصائصها.

لا يحتوي الجرافين (شكل ثنائي الأبعاد من الكربون بسمك ذرة واحدة فقط) على فجوة نطاق إلكترونية. ولا يوجد زوج من طبقات الجرافين مكدسة فوق بعضها البعض. ومع ذلك، إذا أضفت مادة أخرى ثنائية الأبعاد تسمى نيتريد البورون السداسي (hBN) إلى المكدس، فستظهر فجوة شريطية. وذلك لأن ثابت الشبكة لـ hBN - وهو مقياس لكيفية ترتيب ذراته - هو تقريبًا نفس ثابت الجرافين، ولكن ليس تمامًا. تشكل طبقات الجرافين وhBN غير المتطابقة قليلًا بنية أكبر تُعرف باسم الشبكة الفائقة المموجة، وتسمح التفاعلات بين الذرات القريبة في هذه الشبكة الفائقة بتكوين فجوة. إذا تم التواء الطبقات بعد ذلك بحيث تكون غير محاذية بشكل أكبر، فإن تفاعلات الشبكة تضعف، وتختفي فجوة النطاق.

عادةً ما يتطلب تحقيق مثل هذه التغييرات في المواد التقليدية من العلماء تغيير التركيب الكيميائي للمواد. يعد تغيير زاوية الالتواء بين طبقات المادة ثنائية الأبعاد أسلوبًا مختلفًا تمامًا، وقد أدت الإمكانيات المرتبطة به إلى إطلاق مجال جديد من هندسة الأجهزة يُعرف باسم "twistronics". تكمن المشكلة في صعوبة التحكم في زوايا الالتواء، وإذا كانت مناطق مختلفة من العينة تحتوي على زوايا ملتوية موزعة بشكل غير متساو، فإن الخصائص الإلكترونية للعينة ستختلف من موقع إلى آخر. وهذا ليس مثاليًا على الإطلاق بالنسبة للأجهزة عالية الأداء، لذلك كان الباحثون يستكشفون طرقًا لتصور مثل هذه التباينات بشكل أكثر دقة.

طريقة جديدة تعتمد على sMIM

في العمل الجديد فريق بقيادة هونغ جون جاو و شيو تشو ل معهد الفيزياء بالأكاديمية الصينية للعلوم، قام بتكييف طريقة تسمى المسح المجهري لمقاومة الموجات الدقيقة (sMIM) والتي تم تطويرها مؤخرًا بواسطة زيكسون شين والزملاء في جامعة ستانفورد في الولايات المتحدة. تتضمن الطريقة المعدلة تطبيق مجموعة من الفولتية البوابة على العينة وتحليل تقلبات التوصيل في بيانات sMIM في مواضع مختلفة فيها. يوضح تشو: "توفر هذه العملية جهدًا كهربائيًا للبوابة يتوافق مع فجوات نطاق التموج في النسيج، والتي تشير إلى وجود نطاقات إلكترونية مملوءة بالكامل، مما يكشف بشكل مباشر عن تفاصيل حول الشبكة الفائقة للتموج في النسيج وزوايا الالتواء المحلية".

عندما اختبر الباحثون هذه الطريقة على عينات عالية الجودة من الجرافين الملتوي ثنائي الطبقة الذي صنعه زملاؤهم تشيانيينغ هو، يانغ شو، وجياوي هولقد كانوا قادرين على اكتشاف اختلافات زوايا الالتواء مباشرة. كما قاموا بجمع معلومات حول موصلية المناطق المحلية، وقاموا بتمييز الحالات الإلكترونية الأخرى مثل حالات هول الكمومية وعوازل تشيرن من خلال تطبيق مجالات مغناطيسية خارج المستوى. يقول تشو: "لقد أجرينا هذه القياسات بشكل متزامن". "لقد سمح لنا هذا بالحصول مباشرة على معلومات الحالة الكمومية في ظل ظروف زاوية الالتواء المحلية المختلفة."

ويضيف أن التقنية الجديدة كشفت عن اختلافات واضحة في زوايا الالتواء المحلية تبلغ حوالي 0.3 درجة على مسافات تصل إلى عدة ميكرونات. كما أنها مكّنت الفريق من قياس الموصلية المحلية، وهو أمر غير ممكن باستخدام الطرق البديلة التي تستخدم ترانزستورات أحادية الإلكترون لقياس الانضغاطية أو أجهزة النانو النانوية لقياس المجالات المغناطيسية. علاوة على ذلك، بالنسبة لعينات الجرافين الملتوية ثنائية الطبقة المغطاة بطبقة BN عازلة، فإن الطريقة الجديدة تتمتع بميزة كبيرة على الفحص المجهري النفقي التقليدي للمسح، حيث يمكنها اختراق الطبقة العازلة.

استكشاف الحالات الكمومية الجديدة

يقول تشو: "لقد كشف عملنا عن اختلاف زاوية الالتواء المحلية داخل وبين مجالات مادة ملتوية ثنائية الأبعاد". عالم الفيزياء. "لقد أدى هذا إلى تعميق فهمنا للحالة المجهرية للعينة، مما يسمح لنا بشرح العديد من الظواهر التجريبية التي تمت ملاحظتها سابقًا في قياسات "المتوسط الحجمي". كما أنه يوفر طريقة لاستكشاف الحالات الكمومية الجديدة التي يصعب مراقبتها بالعين المجردة، ويقدم رؤى من منظور مجهري.

تعمل شرائط الجرافين على تطوير الإلكترونيات الملتوية

ويضيف أنه بفضل هذه القياسات، فإن عدم انتظام زوايا الالتواء المحلية في المواد الملتوية ثنائية الأبعاد لا ينبغي أن يشكل عائقًا أمام دراسة الحالات الكمومية الجديدة. "بدلاً من ذلك، وبفضل التوزيع الغني لزوايا الالتواء المحلية التي لاحظناها، يجب أن يكون من الممكن الآن مقارنة الحالات الكمومية المختلفة في وقت واحد في ظل ظروف زاوية الالتواء المحلية المتعددة وظروف بنية النطاق في عينة واحدة."

ويهدف الباحثون الآن إلى توسيع نطاق تقنيتهم لتشمل نطاقًا أوسع من الأنظمة الملتوية وأنظمة تموج في النسيج متغايرة البنية - على سبيل المثال، في مواد مثل الطبقة الثنائية الملتوية MoTe₂ و WSe₂/ WS₂. كما يرغبون أيضًا في إجراء قياسات متوسطة الحجم ومقارنة هذه النتائج بالقياسات المحلية باستخدام طريقتهم الجديدة.