Graphenbänder bringen Twistronics voran – Physics World

Bänder aus Graphen anstelle von Quadraten könnten eine bessere Plattform für die Untersuchung der ungewöhnlichen elektronischen Effekte sein, die durch das Verdrehen und Dehnen benachbarter Schichten zweidimensionaler (2D) Materialien entstehen. Dies ist das Ergebnis von Wissenschaftlern in den USA, Dänemark, Frankreich und Japan, deren Ansatz sich erheblich von früheren „Twistronics“-Studien unterscheidet, bei denen es darum ging, zwei Materialflocken relativ zueinander zu verdrehen und sie dann zu stapeln. Dem Team zufolge könnte die neue bandbasierte Technik den Forschern eine bessere Kontrolle über den Verdrehungswinkel ermöglichen und so die Untersuchung der elektronischen Effekte erleichtern.

In den letzten Jahren haben Forscher herausgefunden, dass sie die elektronischen Eigenschaften von 2D-Materialien verändern können, indem sie Schichten dieser Materialien übereinander stapeln und den Winkel zwischen ihnen variieren. Beispielsweise weist eine Graphendoppelschicht normalerweise keine Bandlücke auf, sie entwickelt jedoch eine, wenn sie mit einem anderen 2D-Material, hexagonalem Bornitrid (hBN), in Kontakt gebracht wird.

Diese Änderung tritt auf, weil die Gitterkonstante von hBN – ein Maß für die Anordnung seiner Atome – fast mit der von Graphen übereinstimmt, aber nicht ganz. 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 Bandlücke. Wenn die Schichten dann so verdreht werden, dass sie noch weiter verschoben werden und der Winkel zwischen ihnen groß wird, verschwindet die Bandlücke. In ähnlicher Weise kann Graphen allein je nach Winkel zwischen den einzelnen Graphenschichten von halbmetallisch über halbleitend bis hin zu supraleitend abgestimmt werden.

Um diese Vielfalt an elektronischen Eigenschaften in herkömmlichen Materialien zu erreichen, müssen Wissenschaftler normalerweise deren chemische Zusammensetzung durch die Einführung von Dotierstoffen oder absichtlichen Verunreinigungen ändern. Die Möglichkeit, dies in einem 2D-Material einfach durch Ändern des Verdrehungswinkels zwischen Schichten zu erreichen, ist daher eine grundlegend neue Richtung in der Gerätetechnik und wird als „Twistronik“ bezeichnet.

Das Problem besteht darin, dass Verdrehungswinkel und die damit verbundene Spannung schwer zu kontrollieren sind, was bedeutet, dass verschiedene Bereiche einer Probe unangenehm unterschiedliche elektronische Eigenschaften aufweisen können. In der neuesten Arbeit hat ein Team unter der Leitung von Cory Dekan of Columbia University In den USA wurde dieses Problem gelöst, indem eine bandförmige Graphenschicht (anstelle einer quadratischen Flocke, wie es normalerweise der Fall ist) auf einer hBN-Schicht platziert und ein Ende des Bandes mithilfe eines Piezo-Atomkraftmikroskops langsam gebogen wurde. Die resultierende Struktur weist einen Verdrehungswinkel auf, der sich von dem Punkt, an dem sich das Band zu biegen beginnt, bis zu seinem Ende kontinuierlich ändert. Und statt unkontrollierter Dehnungsschwankungen weist die Probe nun ein gleichmäßiges Dehnungsprofil auf, das anhand der Grenzform des gebogenen Bandes vollständig vorhergesagt werden kann.

Beibehaltung von Winkel- und Dehnungsgradienten

In ihren Experimenten, die detailliert beschrieben sind in WissenschaftDean und Kollegen haben eine der Graphenschichten in eine Form gebogen, die einem Halbkreisbogen ähnelt. Dann legten sie diese Schicht auf eine zweite, ungebogene Schicht. „Wenn wir sie auf diese Weise zusammenfügen, führen wir absichtlich einen Winkelgradienten entlang des Bogens und einen Dehnungsgradienten über den Bogen ein“, erklärt Dean. „Wir stellen fest, dass die kombinierten beiden Schichten keine zufälligen Schwankungen des lokalen Verdrehungswinkels oder der Dehnung zulassen, sondern die Winkel- und Dehnungsgradienten beibehalten, die wir während des Biegeprozesses verleihen.“

Das Biegen des Graphenbandes ist jedoch nicht einfach. Den Forschern gelang dies, indem sie zunächst mit einem auf Rasterkraftmikroskopie (AFM) basierenden Verfahren ein Band aus einem größeren Stück Graphen schnitten. Als nächstes fertigten sie einen separaten „Schieber“ aus einem mehrschichtigen, massiven Stück Graphit, bestehend aus einer runden Scheibe mit Griffen am äußeren Rand. Dieser Schieber wurde dann an einem Ende des Bandes positioniert und mit dem Ende einer AFM-Spitze darüber geschoben. „Der Schieber kann durch die AFM-Spitze gesteuert und entfernt werden, nachdem das Band in Form gebogen wurde“, erklärt Dean.

Ein wesentliches Merkmal dieses Prozesses besteht darin, dass die Grenzflächenreibung des Graphenbandes beim Auflegen auf hBN relativ gering ist, was bedeutet, dass es unter Last gebogen werden kann, aber dennoch hoch genug ist, damit das Band seine gebogene Form beibehält, wenn die Last nachlässt.

Das Ausmaß, in dem sich das Band biegt, hängt von der Länge und Breite des Bandes ab und davon, wie viel Kraft von der AFM-Spitze auf das Bandende ausgeübt wird. Die Forscher fanden heraus, dass sich lange, schmale Bänder (also Bänder mit einem großen Seitenverhältnis) am einfachsten auf kontrollierte Weise biegen lassen.

„Beispielloser Zugang zum Twisted-Winkel-Phasendiagramm“

Die Möglichkeit, sowohl die Dehnung als auch den Verdrehungswinkel kontinuierlich abzustimmen, wird Forschern einen beispiellosen Zugang zum „Phasendiagramm“ der Verdrehungswinkel ermöglichen, erklärt Dean Physik-Welt. „Die elektronische Bandstruktur einer verdrillten Doppelschicht reagiert äußerst empfindlich auf den Verdrillungswinkel, wobei beispielsweise der ‚magische Winkel‘ mit nur einem Zehntel Grad von 1.1° definiert ist.“ Durch langsames und kontrollierbares Verdrehen können wir diese Abhängigkeit in einem einzigen Gerät mit einer Präzision abbilden, die bisher nicht möglich war.“

Graphen-Nanobänder stabil machen

Und das ist noch nicht alles: Da die Rolle der Spannung auf die Graphen-Doppelschichtsysteme im magischen Winkel experimentell nahezu völlig unbekannt ist, bietet die neue Technik die erste Möglichkeit, sie auf reproduzierbare Weise zu messen. „Technisch gesehen war die Vorstellung, dass die Einführung eines Dehnungsgradienten dazu beitragen könnte, zufällige Variationen des Verdrehungswinkels zu unterdrücken, für uns eine unerwartete Überraschung“, sagt Dean. „Dies eröffnet interessante Ideen, wie Dehnungstechnik und räumlich kontrollierte Winkelvariationen zusammenwirken können, um eine weitere Kontrolle über die elektronische Bandstruktur in verdrillten Schichtsystemen zu erlangen.“

Das Columbia-Team kartiert nun das Spannungs-Winkel-Phasendiagramm um den Bereich des magischen Winkels in verdrehtem Doppelschicht-Graphen mithilfe einer Kombination aus Transport- und Scan-Probe-Spektroskopie. Die Forscher untersuchen auch, ob sie die Technik auf andere 2D-Materialsysteme anwenden können. In Halbleitern könnte die Biegung beispielsweise Exzitonen (Elektron-Loch-Paare) leiten und leiten, während sie in magnetischen 2D-Systemen zur Erzeugung ungewöhnlicher magnetischer Texturen genutzt werden könnte. „Schließlich erforschen wir Möglichkeiten, das Biegen durch elektrostatische oder andere nichtmechanische Mittel zu erreichen“, verrät Dean. „Diese könnten eine dynamische In-situ-Steuerung des Verdrehungswinkels in Doppelschichtsystemen ermöglichen.“

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/graphene-ribbons-advance-twistronics/