تعمل شرائط الجرافين على تطوير الإلكترونيات الملتوية – عالم الفيزياء

يمكن لأشرطة الجرافين، بدلًا من المربعات، أن تشكل منصة أفضل لسبر التأثيرات الإلكترونية غير العادية التي تنشأ من التواء وإجهاد الطبقات المجاورة من المواد ثنائية الأبعاد (2D). هذه هي النتيجة التي توصل إليها علماء في الولايات المتحدة والدنمارك وفرنسا واليابان، الذين يختلف نهجهم بشكل كبير عن دراسات "الالتواءات" السابقة التي ركزت على لف شريحتين من المواد فيما يتعلق ببعضهما البعض ثم تكديسهما. وفقًا للفريق، فإن التقنية الجديدة القائمة على الشريط يمكن أن تمنح الباحثين تحكمًا أفضل في زاوية الالتواء، مما يجعل دراسة التأثيرات الإلكترونية أسهل.

في السنوات الأخيرة، وجد الباحثون أنه يمكنهم تغيير الخصائص الإلكترونية للمواد ثنائية الأبعاد عن طريق تكديس طبقات من هذه المواد فوق بعضها البعض وتغيير الزاوية بينها. على سبيل المثال، لا تحتوي طبقة الجرافين الثنائية عادة على فجوة نطاقية، ولكنها تتطور عندما يتم وضعها على اتصال مع مادة أخرى ثنائية الأبعاد، وهي نيتريد البورون السداسي (hBN).

يحدث هذا التغيير 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 نطاقية. إذا تم لف الطبقات بعد ذلك بحيث تصبح غير محاذية بشكل أكبر وتصبح الزاوية بينها كبيرة، فإن فجوة النطاق تختفي. وبالمثل، يمكن ضبط الجرافين بمفرده من شبه معدني إلى شبه موصل وحتى فائق التوصيل اعتمادًا على الزاوية بين طبقات الجرافين الفردية.

لتحقيق هذا التنوع في الخصائص الإلكترونية في المواد التقليدية، يحتاج العلماء عادة إلى تغيير تركيبها الكيميائي عن طريق إدخال المنشطات، أو الشوائب المتعمدة. إن القدرة على القيام بذلك في مادة ثنائية الأبعاد ببساطة عن طريق تغيير زاوية الالتواء بين الطبقات هو اتجاه جديد بشكل أساسي في هندسة الأجهزة، وقد أطلق عليه اسم "twistronics".

تكمن المشكلة في صعوبة التحكم في زوايا الالتواء والضغط المرتبط بها، مما يعني أن المناطق المختلفة من العينة قد يكون لها خصائص إلكترونية مختلفة بشكل غير مريح. وفي آخر عمل قام به فريق بقيادة كوري دين of جامعة كولومبيا في الولايات المتحدة، تغلبت هذه المشكلة عن طريق وضع طبقة من الجرافين على شكل شريط (بدلاً من رقاقة مربعة كما هو الحال عادة) فوق طبقة من مادة hBN وثني أحد طرفي الشريط ببطء باستخدام مجهر القوة الذرية الانضغاطية. يحتوي الهيكل الناتج على زاوية ملتوية تختلف باستمرار من النقطة التي يبدأ عندها الشريط في الانحناء حتى نهايته. وبدلاً من الاختلافات غير المنضبطة في السلالة، أصبح للعينة الآن شكل سلالة موحد يمكن التنبؤ به بالكامل من خلال الشكل الحدودي للشريط المثني.

الحفاظ على تدرجات الزاوية والإجهاد

في تجاربهم، والتي تم تفصيلها في علومقام دين وزملاؤه بثني إحدى طبقات الجرافين إلى شكل يشبه القوس نصف الدائري. ثم وضعوا هذه الطبقة فوق طبقة ثانية غير مثنية. "عندما يتم تجميعها معًا بهذه الطريقة، فإننا نقدم عمدًا تدرجًا زاويًا على طول القوس، وتدرجًا للإجهاد عبر القوس"، يشرح دين. "وجدنا أنه بدلاً من السماح بالتقلبات العشوائية في زاوية الالتواء المحلية أو الانفعال، تحافظ الطبقتان المدمجتان على تدرجات الزاوية والانفعال التي ننقلها أثناء عملية الانحناء."

ومع ذلك، فإن ثني شريط الجرافين ليس بالأمر السهل. تمكن الباحثون من ذلك عن طريق قطع شريط من قطعة أكبر من الجرافين أولاً باستخدام عملية تعتمد على مجهر القوة الذرية (AFM). بعد ذلك، قاموا بتصنيع "شريط تمرير" منفصل من قطعة كبيرة متعددة الطبقات من الجرافيت تتكون من قرص دائري مصنوع بمقابض على الحافة الخارجية. تم بعد ذلك وضع شريط التمرير هذا على أحد طرفي الشريط ودفعه عبره باستخدام نهاية طرف AFM. يوضح دين: "يمكن التحكم في شريط التمرير بواسطة طرف AFM وإزالته بعد ثني الشريط في شكله".

السمة الرئيسية لهذه العملية هي أن الاحتكاك السطحي لشريط الجرافين يكون منخفضًا نسبيًا عند وضعه على hBN، مما يعني أنه يمكن ثنيه تحت الحمل، ولكنه مرتفع بدرجة كافية للسماح للشريط بالحفاظ على شكله المنحني عند تحرير الحمل.

يعتمد مدى انحناء الشريط على طول الشريط وعرضه ومقدار القوة المطبقة على نهايته بواسطة طرف AFM. وجد الباحثون أن الأشرطة الطويلة والضيقة (أي الأشرطة ذات نسبة العرض إلى الارتفاع الكبيرة) هي الأسهل في الانحناء بطريقة يمكن التحكم فيها.

"وصول غير مسبوق إلى مخطط طور الزاوية الملتوية"

يقول دين إن القدرة على ضبط كل من زاوية الانفعال والالتواء بشكل مستمر ستمنح الباحثين وصولاً غير مسبوق إلى "مخطط الطور" للزوايا الملتوية. عالم الفيزياء. "إن بنية النطاق الإلكتروني للطبقة الثنائية الملتوية حساسة للغاية لزاوية الالتواء، على سبيل المثال، يتم تعريف "الزاوية السحرية" بعُشر درجة 1.1 درجة فقط. إن الالتواء البطيء الذي يمكن التحكم فيه يعني أنه يمكننا رسم هذا الاعتماد في جهاز واحد بدقة لم تكن ممكنة من قبل.

جعل الجرافين nanoribbons مستقرة

وهذا ليس كل شيء: نظرًا لأن دور الضغط في أنظمة الجرافين ثنائية الطبقة ذات الزاوية السحرية يكاد يكون غير معروف تمامًا من الناحية التجريبية، فإن التقنية الجديدة توفر أول فرصة لقياسه بطريقة قابلة للتكرار. يقول دين: "من الناحية الفنية، كانت فكرة أن إدخال تدرج الضغط يمكن أن يساعد في قمع الاختلافات العشوائية في زاوية الالتواء كانت مفاجأة غير متوقعة بالنسبة لنا". "يفتح هذا أفكارًا مثيرة للاهتمام حول كيفية التفاعل بين هندسة الضغط وتغيرات الزوايا التي يتم التحكم فيها مكانيًا للحصول على مزيد من التحكم في بنية النطاق الإلكتروني في أنظمة الطبقات الملتوية."

يقوم فريق كولومبيا الآن برسم مخطط طور زاوية الانفعال حول نطاق الزاوية السحرية في الجرافين ثنائي الطبقة الملتوية باستخدام مزيج من التحليل الطيفي لمسبار النقل والمسح. ويستكشف الباحثون أيضًا ما إذا كان بإمكانهم تطبيق هذه التقنية على أنظمة مواد أخرى ثنائية الأبعاد. في أشباه الموصلات، على سبيل المثال، يمكن للانحناء أن يوجه ويوجه الإكسيتونات (أزواج ثقب الإلكترون)، بينما في الأنظمة المغناطيسية ثنائية الأبعاد، يمكن استخدامه لإنشاء نسيج مغناطيسي غير عادي. "أخيرًا، نحن نستكشف طرقًا لتحقيق الانحناء من خلال الوسائل الكهروستاتيكية أو غيرها من الوسائل غير الميكانيكية،" يكشف دين. "وهذا يمكن أن يسمح بالتحكم الديناميكي في الموقع لزاوية الالتواء في أنظمة الطبقة الثنائية."

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
• أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
• أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
• BlockOffsets. تحديث ملكية الأوفست البيئية. الوصول هنا.
• المصدر https://physicsworld.com/a/graphene-ribbons-advance-twistronics/