Lokale Verdrehungswinkel in Graphen werden sichtbar – Physics World

Lokale Verdrehungswinkel in Graphen werden sichtbar – Physics World

Zeitstempel: 19. April 2024, 8:00 Uhr


Ein schematisches Diagramm, wie die Methode die Variationen der lokalen Verdrehungswinkel in verdrehten 2D-Materialien direkt visualisiert
Eine andere Wendung: Ein schematisches Diagramm, das zeigt, wie die Methode die Variationen der lokalen Verdrehungswinkel in verdrehten 2D-Materialien direkt visualisiert. Die neue Technik zeigte ausgeprägte Variationen der lokalen Verdrehungswinkel in verdrehtem Doppelschicht-Graphen. (Mit freundlicher Genehmigung von S Zhu)

Durch das Übereinanderschichten von Schichten zweidimensionaler Materialien und die Variation des Verdrehungswinkels zwischen ihnen werden deren elektronische Eigenschaften massiv verändert. Der Trick besteht darin, den Verdrehungswinkel genau richtig einzustellen und zu wissen, wann Sie ihn erreicht haben. Forscher in China haben nun eine Technik entwickelt, die beim zweiten Teil dieser Herausforderung hilft. Indem die neue Technik den Wissenschaftlern die direkte Visualisierung der Variationen der lokalen Verdrehungswinkel ermöglicht, wirft sie Licht auf die elektronische Struktur verdrehter Materialien und beschleunigt die Entwicklung von Geräten, die ihre Eigenschaften nutzen.

Graphen (eine 2D-Form von Kohlenstoff mit nur einem Atom Dicke) weist keine elektronische Bandlücke auf. Ebenso wenig wie ein Paar übereinander gestapelter Graphenschichten. Wenn man jedoch ein weiteres 2D-Material namens hexagonales Bornitrid (hBN) zum Stapel hinzufügt, entsteht eine Bandlücke. Dies liegt daran, dass die Gitterkonstante von hBN – ein Maß für die Anordnung seiner Atome – nahezu mit der von Graphen übereinstimmt, jedoch nicht genau. Die leicht unterschiedlichen Schichten aus Graphen und hBN bilden eine größere Struktur, die als Moiré-Übergitter bekannt ist, und die Wechselwirkungen zwischen benachbarten Atomen in diesem Übergitter ermöglichen die Bildung einer Lücke. Wenn die Schichten dann so verdreht werden, dass sie noch weiter verschoben werden, werden die Gitterwechselwirkungen schwächer und die Bandlücke verschwindet.

Um solche Veränderungen bei herkömmlichen Materialien zu erreichen, müssen Wissenschaftler normalerweise die chemische Zusammensetzung der Materialien ändern. Das Variieren des Verdrehungswinkels zwischen Schichten eines 2D-Materials ist ein völlig anderer Ansatz, und die damit verbundenen Möglichkeiten haben ein neues Gebiet der Gerätetechnik ins Leben gerufen, das als Twistronics bekannt ist. Das Problem besteht darin, dass Verdrehungswinkel schwer zu kontrollieren sind und wenn verschiedene Bereiche einer Probe ungleichmäßig verteilte Verdrehungswinkel aufweisen, variieren die elektronischen Eigenschaften der Probe von Ort zu Ort. Dies ist für Hochleistungsgeräte alles andere als ideal, daher haben Forscher nach Möglichkeiten gesucht, solche Inhomogenitäten genauer darzustellen.

Eine neue Methode basierend auf sMIM

In der neuen Arbeit führte ein Team durch Hong-Jun Gao und Shiyu Zhu dauert ebenfalls 3 Jahre. Das erste Jahr ist das sog. Institut für Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften, adaptierte eine Methode namens Rastermikrowellen-Impedanzmikroskopie (sMIM), die kürzlich von entwickelt wurde Zhixun Shen und Kollegen bei Stanford University in den USA. Die angepasste Methode umfasst das Anlegen verschiedener Gate-Spannungen an die Probe und die Analyse von Leitfähigkeitsschwankungen in den sMIM-Daten an verschiedenen Positionen darin. „Dieser Prozess liefert die Gate-Spannungen, die Moiré-Bandlücken entsprechen, die auf vollständig gefüllte elektronische Bänder hinweisen, und enthüllt direkt Details über das Moiré-Übergitter und die lokalen Verdrehungswinkel“, erklärt Zhu.

Als die Forscher diese Methode an hochwertigen Proben von verdrilltem Doppelschicht-Graphen testeten, die von ihren Kollegen hergestellt wurden Qianying Hu, Yang Xu und Jiawei Hukonnten sie Variationen von Verdrehungswinkeln direkt erkennen. Sie sammelten auch Informationen über die Leitfähigkeit lokalisierter Bereiche und charakterisierten andere elektronische Zustände wie Quanten-Hall-Zustände und Chern-Isolatoren durch Anlegen von Magnetfeldern außerhalb der Ebene. „Wir haben diese Messungen gleichzeitig durchgeführt“, bemerkt Zhu. „Dadurch konnten wir Quantenzustandsinformationen unter verschiedenen lokalen Verdrehungswinkelbedingungen direkt erhalten.“

Die neue Technik habe deutliche Schwankungen der lokalen Verdrehungswinkel von etwa 0.3° über Distanzen von mehreren Mikrometern ergeben, fügt er hinzu. Es ermöglichte dem Team auch die Messung der lokalen Leitfähigkeit, was mit alternativen Methoden, die Einzelelektronentransistoren zur Messung der Kompressibilität oder nanoSQUIDs zur Messung von Magnetfeldern verwenden, nicht möglich ist. Darüber hinaus hat die neue Methode bei Proben aus verdrilltem Doppelschicht-Graphen, die mit einer isolierenden BN-Schicht bedeckt sind, einen erheblichen Vorteil gegenüber der herkömmlichen Rastertunnelmikroskopie, da sie die Isolierschicht durchdringen kann.

Erforschung neuartiger Quantenzustände

„Unsere Arbeit hat die lokale Variation des Verdrehungswinkels innerhalb und zwischen Domänen eines verdrehten zweidimensionalen Materials aufgedeckt“, erzählt Zhu Physik-Welt. „Dies hat unser Verständnis des mikroskopischen Zustands der Probe vertieft und es uns ermöglicht, viele experimentelle Phänomene zu erklären, die zuvor bei „Bulk-Averaging“-Messungen beobachtet wurden. Es bietet auch eine Möglichkeit, neuartige Quantenzustände zu erforschen, die makroskopisch schwer zu beobachten sind, und bietet Einblicke aus mikroskopischer Perspektive.“

Dank dieser Messungen dürften die Ungleichmäßigkeiten lokaler Verdrehungswinkel in verdrehten zweidimensionalen Materialien kein Hindernis mehr für die Untersuchung neuartiger Quantenzustände sein, fügt er hinzu. „Stattdessen sollte es dank der von uns beobachteten reichen Verteilung lokaler Verdrehungswinkel nun möglich sein, verschiedene Quantenzustände unter mehreren lokalen Verdrehungswinkelbedingungen und Bandstrukturbedingungen in einer einzigen Probe gleichzeitig zu vergleichen.“

Die Forscher wollen ihre Technik nun auf ein breiteres Spektrum verdrillter Systeme und Heterostruktur-Moiré-Systeme ausweiten – beispielsweise auf Materialien wie verdrillte Doppelschicht-MoTe2 und WSe2/WS2. Sie möchten mit ihrer neuen Methode auch Bulk-Averaging-Messungen durchführen und diese Ergebnisse mit lokalen Messungen vergleichen.

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