Grafenbånd fremmer twistronics – Physics World

Grafenbånd fremmer twistronics – Physics World

Tidsstempel: 19. september 2023 kl. 4

Et buet grafenbånd, illustreret i gråt, vist lagt fladt mod et andet grafenark. Båndlaget er bøjet til en form, der ligner en halvcirkulær bue
På kurven: Et buet grafenbånd, illustreret i gråt, vist lagt fladt mod et andet grafenark. Der er en kontinuerlig ændring i snoningsvinklen mellem båndet over og arket nedenunder. Nogle steder er atomgitrene på de to plader opstillet i en vinkel på 0° i forhold til hinanden, mens de andre steder er snoet i forhold til hinanden med så meget som 5°. (Med høflighed: Cory Dean, Columbia University)

Bånd af grafen, snarere end firkanter, kunne være en bedre platform til at undersøge de usædvanlige elektroniske effekter, der opstår ved at vride og belaste tilstødende lag af todimensionelle (2D) materialer. Dette er opdagelsen af ​​forskere i USA, Danmark, Frankrig og Japan, hvis tilgang adskiller sig væsentligt fra tidligere "twistronics" undersøgelser, der fokuserede på at vride to flager af materiale i forhold til hinanden og derefter stable dem. Ifølge holdet kunne den nye båndbaserede teknik give forskerne bedre kontrol over vridningsvinklen, hvilket gør de elektroniske effekter lettere at studere.

I de senere år har forskere fundet ud af, at de kan ændre de elektroniske egenskaber af 2D-materialer ved at stable lag af disse materialer oven på hinanden og variere vinklen mellem dem. For eksempel har et dobbeltlag af grafen normalt ikke et båndgab, men det udvikler et, når det kommer i kontakt med et andet 2D-materiale, hexagonal bornitrid (hBN).

Denne ændring opstår, fordi gitterkonstanten for hBN - et mål for, hvordan dets atomer er arrangeret - er næsten den samme som for grafen, men ikke helt. De lidt uoverensstemmende lag af grafen og hBN danner en større struktur kendt som et moiré-supergitter, og interaktionerne mellem nærliggende atomer i dette supergitter gør det muligt at danne et båndgab. Hvis lagene så snoes, så de er yderligere skævt, og vinklen mellem dem bliver stor, forsvinder båndgabet. På samme måde kan grafen i sig selv tunes fra semimetallisk til halvledende og endda superledende afhængigt af vinklen mellem de enkelte grafenlag.

For at opnå denne række af elektroniske egenskaber i konventionelle materialer, skal forskere normalt ændre deres kemiske sammensætning ved at indføre dopingmidler eller bevidste urenheder. At være i stand til at gøre dette i et 2D-materiale blot ved at ændre vridningsvinklen mellem lagene er derfor en fundamentalt ny retning inden for enhedsteknologi og er blevet døbt "twistronics".

Problemet er, at vridningsvinkler og den tilhørende belastning er svære at kontrollere, hvilket betyder, at forskellige områder af en prøve kan have uhensigtsmæssigt forskellige elektroniske egenskaber. I det seneste arbejde har et team ledet af Cory Dean of Columbia University i USA overvandt dette problem ved at placere et båndformet grafenlag (i stedet for en firkantet flage, som det normalt er tilfældet) oven på et lag af hBN og langsomt bøje den ene ende af båndet ved hjælp af et piezo-atomisk kraftmikroskop. Den resulterende struktur har en snoningsvinkel, der varierer kontinuerligt fra det punkt, hvor båndet begynder at bøje hele vejen igennem til dets ende. Og i stedet for ukontrollerede variationer i belastningen, har prøven nu en ensartet belastningsprofil, der fuldt ud kan forudsiges af grænseformen på det bøjede bånd.

Opretholdelse af vinkel- og belastningsgradienter

I deres eksperimenter, som er detaljeret i Videnskab, Dean og kolleger bøjede et af grafenlagene til en form, der ligner en halvcirkelformet bue. Så lagde de dette lag oven på et andet, ubøjet lag. "Når de placeres sammen på denne måde, introducerer vi med vilje en vinkelgradient langs buen og en deformationsgradient på tværs af buen," forklarer Dean. "Vi finder ud af, at i stedet for at tillade tilfældige udsving i den lokale snoningsvinkel eller belastning, opretholder de kombinerede to lag den vinkel og belastningsgradienter, som vi giver under bøjningsprocessen."

Det er dog ikke let at bøje grafenbåndet. Forskerne klarede det ved først at klippe et bånd fra et større stykke grafen ved hjælp af en atomic force microscopy (AFM)-baseret proces. Dernæst fremstillede de en separat "skyder" af et flerlags, bulk stykke grafit bestående af en rund skive fremstillet med håndtag på den ydre kant. Denne skyder blev derefter placeret på den ene ende af båndet og skubbet hen over den ved hjælp af enden af ​​en AFM-spids. "Slideren kan styres af AFM-spidsen og fjernes, efter at båndet er blevet bøjet i form," forklarer Dean.

Et nøgletræk ved denne proces er, at grafenbåndets grænsefladefriktion er relativt lav, når den placeres på hBN, hvilket betyder, at den kan bøjes under belastning, men alligevel høj nok til at tillade båndet at holde sin bøjede form, når belastningen frigives.

Hvor meget båndet vil bøje afhænger af længden og bredden af ​​båndet, og hvor meget kraft der påføres enden af ​​det af AFM-spidsen. Forskerne fandt ud af, at lange, smalle bånd (det vil sige bånd med et stort billedformat) er de nemmeste at bøje på en kontrolleret måde.

"Hidtil uset adgang til fasediagrammet med snoet vinkel"

At være i stand til kontinuerligt at tune både strain og twist-vinkel vil give forskere hidtil uset adgang til "fasediagrammet" af snoede vinkler, fortæller Dean Fysik verden. "Den elektroniske båndstruktur af snoet dobbeltlag er ekstremt følsom over for snoningsvinkler, hvor for eksempel den 'magiske vinkel' er defineret med kun en tiendedel af en grad på 1.1°. Langsom og kontrollerbar vridning betyder, at vi kan kortlægge denne afhængighed i en enkelt enhed til en præcision, som ikke tidligere var mulig."

Og det er ikke alt: da belastningen af ​​de magiske vinkel-dobbeltlagsgrafensystemer er næsten fuldstændig ukendt eksperimentelt, giver den nye teknik den første mulighed for at måle den på en reproducerbar måde. "Teknisk var ideen om, at indførelsen af ​​en belastningsgradient kunne hjælpe med at undertrykke tilfældige drejningsvinkelvariationer, en uventet overraskelse for os," siger Dean. "Dette åbner op for interessante ideer til, hvordan man kan spille sammen strain engineering og rumligt kontrollerede vinkelvariationer for at få yderligere kontrol over den elektroniske båndstruktur i snoede lagsystemer."

Columbia-teamet kortlægger nu strain-angle fasediagrammet omkring det magiske vinkelområde i snoet dobbeltlagsgrafen ved hjælp af en kombination af transport- og scan-probe-spektroskopi. Forskerne undersøger også, om de kan anvende teknikken på andre 2D-materialesystemer. I halvledere kan bøjning f.eks. lede og tragte excitoner (elektron-hul-par), mens det i magnetiske 2D-systemer kan bruges til at skabe usædvanlige magnetiske teksturer. "Endelig udforsker vi måder at opnå bøjning gennem elektrostatiske eller andre ikke-mekaniske midler," afslører Dean. "Disse kunne give mulighed for in-situ dynamisk kontrol af vridningsvinklen i tolagssystemer."

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden