Κορδέλες γραφενίου για προώθηση twistronics – Physics World

Κορδέλες από γραφένιο, αντί για τετράγωνα, θα μπορούσαν να κάνουν μια καλύτερη πλατφόρμα για την ανίχνευση των ασυνήθιστων ηλεκτρονικών εφέ που προκύπτουν από τη συστροφή και το τέντωμα γειτονικών στρωμάτων δισδιάστατων (2D) υλικών. Αυτό είναι το εύρημα επιστημόνων από τις ΗΠΑ, τη Δανία, τη Γαλλία και την Ιαπωνία, η προσέγγιση των οποίων διαφέρει σημαντικά από προηγούμενες μελέτες «twistronics» που επικεντρώθηκαν στο στρίψιμο δύο νιφάδων υλικού μεταξύ τους και στη συνέχεια στο στοίβαγμα. Σύμφωνα με την ομάδα, η νέα τεχνική που βασίζεται σε κορδέλα θα μπορούσε να δώσει στους ερευνητές καλύτερο έλεγχο της γωνίας συστροφής, καθιστώντας τα ηλεκτρονικά εφέ ευκολότερα στη μελέτη.

Τα τελευταία χρόνια, οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι μπορούν να αλλάξουν τις ηλεκτρονικές ιδιότητες των 2D υλικών στοιβάζοντας στρώματα αυτών των υλικών το ένα πάνω στο άλλο και μεταβάλλοντας τη γωνία μεταξύ τους. Για παράδειγμα, μια διπλή στιβάδα γραφενίου κανονικά δεν έχει διάκενο ζώνης, αλλά αναπτύσσεται όταν έρχεται σε επαφή με ένα άλλο υλικό 2D, το εξαγωνικό νιτρίδιο του βορίου (hBN).

Αυτή η αλλαγή συμβαίνει επειδή η σταθερά του πλέγματος του hBN - ένα μέτρο για το πώς είναι διατεταγμένα τα άτομα του - είναι σχεδόν ίδια με αυτή του γραφενίου, αλλά όχι εντελώς. Τα ελαφρώς αταίριαστα στρώματα γραφενίου και hBN σχηματίζουν μια μεγαλύτερη δομή γνωστή ως υπερπλέγμα moiré και οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ κοντινών ατόμων σε αυτό το υπερπλέγμα επιτρέπουν να σχηματιστεί ένα διάκενο ζώνης. Εάν στη συνέχεια τα στρώματα στρίψουν έτσι ώστε να μην ευθυγραμμιστούν περαιτέρω και η γωνία μεταξύ τους γίνει μεγάλη, το διάκενο της ζώνης εξαφανίζεται. Ομοίως, το γραφένιο από μόνο του μπορεί να ρυθμιστεί από ημιμεταλλικό σε ημιαγώγιμο και ακόμη και υπεραγώγιμο ανάλογα με τη γωνία μεταξύ των επιμέρους στρωμάτων γραφενίου.

Για να επιτύχουν αυτή την ποικιλία ηλεκτρονικών ιδιοτήτων σε συμβατικά υλικά, οι επιστήμονες συνήθως χρειάζεται να αλλάξουν τη χημική τους σύνθεση εισάγοντας πρόσμικτες ή σκόπιμες ακαθαρσίες. Το να μπορούμε να το κάνουμε αυτό σε ένα υλικό 2D απλώς αλλάζοντας τη γωνία περιστροφής μεταξύ των στρωμάτων είναι επομένως μια θεμελιωδώς νέα κατεύθυνση στη μηχανική συσκευών και έχει ονομαστεί "twistronics".

Το πρόβλημα είναι ότι οι γωνίες συστροφής και η σχετική παραμόρφωση είναι δύσκολο να ελεγχθούν, πράγμα που σημαίνει ότι διαφορετικές περιοχές ενός δείγματος μπορεί να έχουν άβολα διαφορετικές ηλεκτρονικές ιδιότητες. Στην τελευταία δουλειά, μια ομάδα με επικεφαλής τον Κόρι Ντιν of Πανεπιστήμιο Κολούμπια στις ΗΠΑ ξεπέρασε αυτό το πρόβλημα τοποθετώντας ένα στρώμα γραφενίου σε σχήμα κορδέλας (και όχι μια τετράγωνη νιφάδα όπως συμβαίνει συνήθως) πάνω από ένα στρώμα hBN και λυγίζοντας αργά το ένα άκρο της κορδέλας χρησιμοποιώντας ένα μικροσκόπιο πιεζοατομικής δύναμης. Η δομή που προκύπτει έχει μια γωνία συστροφής που ποικίλλει συνεχώς από το σημείο στο οποίο η κορδέλα αρχίζει να λυγίζει μέχρι το τέλος της. Και αντί για ανεξέλεγκτες παραλλαγές στην παραμόρφωση, το δείγμα έχει τώρα ένα ομοιόμορφο προφίλ παραμόρφωσης που μπορεί να προβλεφθεί πλήρως από το σχήμα των ορίων της λυγισμένης ταινίας.

Διατήρηση κλίσεων γωνίας και παραμόρφωσης

Στα πειράματά τους, τα οποία αναφέρονται αναλυτικά στο Επιστήμη, ο Dean και οι συνεργάτες του λύγισαν ένα από τα στρώματα γραφενίου σε σχήμα που μοιάζει με ημικυκλικό τόξο. Στη συνέχεια τοποθέτησαν αυτό το στρώμα πάνω από ένα δεύτερο, άκαμπτο, στρώμα. "Όταν τοποθετούμε μαζί με αυτόν τον τρόπο, εισάγουμε σκόπιμα μια κλίση γωνίας κατά μήκος του τόξου και μια κλίση τάσης κατά μήκος του τόξου", εξηγεί ο Dean. «Διαπιστώνουμε ότι αντί να επιτρέπουν τυχαίες διακυμάνσεις στην τοπική γωνία συστροφής ή παραμόρφωση, τα συνδυασμένα δύο στρώματα διατηρούν τις κλίσεις γωνίας και τάσης που προσδίδουμε κατά τη διαδικασία κάμψης».

Το λύγισμα της κορδέλας γραφενίου, ωστόσο, δεν είναι εύκολο. Οι ερευνητές το κατάφεραν κόβοντας πρώτα μια κορδέλα από ένα μεγαλύτερο κομμάτι γραφενίου χρησιμοποιώντας μια διαδικασία που βασίζεται στο μικροσκόπιο ατομικής δύναμης (AFM). Στη συνέχεια, κατασκεύασαν ένα ξεχωριστό «ρυθμιστικό» από ένα πολυστρωματικό, χύμα κομμάτι γραφίτη που αποτελείται από έναν στρογγυλό δίσκο κατασκευασμένο με λαβές στο εξωτερικό χείλος. Αυτό το ρυθμιστικό στη συνέχεια τοποθετήθηκε στο ένα άκρο της κορδέλας και ωθήθηκε κατά μήκος του χρησιμοποιώντας το άκρο μιας άκρης AFM. «Το ρυθμιστικό μπορεί να ελεγχθεί από την άκρη AFM και να αφαιρεθεί αφού λυγίσει η κορδέλα σε σχήμα», εξηγεί ο Dean.

Ένα βασικό χαρακτηριστικό αυτής της διαδικασίας είναι ότι η διεπιφανειακή τριβή της κορδέλας γραφενίου είναι σχετικά χαμηλή όταν τοποθετείται σε hBN, που σημαίνει ότι μπορεί να λυγίσει υπό φορτίο, αλλά αρκετά υψηλή ώστε να επιτρέψει στην κορδέλα να διατηρήσει το λυγισμένο της σχήμα όταν απελευθερωθεί το φορτίο.

Ο βαθμός στον οποίο θα λυγίσει η κορδέλα εξαρτάται από το μήκος και το πλάτος της κορδέλας και πόση δύναμη ασκείται στο άκρο της από το άκρο AFM. Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι οι μακριές, στενές κορδέλες (δηλαδή οι κορδέλες με μεγάλη αναλογία διαστάσεων) είναι το πιο εύκολο να λυγίσουν ελεγχόμενα.

«Πρωτοφανής πρόσβαση στο διάγραμμα φάσης στριμμένης γωνίας»

Η δυνατότητα συνεχούς συντονισμού τόσο της γωνίας καταπόνησης όσο και της γωνίας συστροφής θα δώσει στους ερευνητές άνευ προηγουμένου πρόσβαση στο «διάγραμμα φάσης» των στριμμένων γωνιών, λέει ο Dean Κόσμος Φυσικής. «Η δομή της ηλεκτρονικής ζώνης της στριμμένης διπλής στιβάδας είναι εξαιρετικά ευαίσθητη στη γωνία συστροφής, με, για παράδειγμα, τη «μαγική γωνία» να ορίζεται μόνο με το ένα δέκατο της μοίρας 1.1°. Η αργή και ελεγχόμενη συστροφή σημαίνει ότι μπορούμε να αντιστοιχίσουμε αυτήν την εξάρτηση σε μια μεμονωμένη συσκευή με ακρίβεια που δεν ήταν προηγουμένως δυνατή».

Κάνοντας σταθερές τις νανοκορδέλες γραφενίου

Και δεν είναι μόνο αυτό: δεδομένου ότι ο ρόλος της καταπόνησης στα συστήματα διπλής στιβάδας γραφενίου της μαγικής γωνίας είναι σχεδόν εντελώς άγνωστος πειραματικά, η νέα τεχνική παρέχει την πρώτη ευκαιρία να μετρηθεί με έναν αναπαραγώγιμο τρόπο. «Τεχνικά, η ιδέα ότι η εισαγωγή μιας κλίσης παραμόρφωσης θα μπορούσε να βοηθήσει στην καταστολή των τυχαίων διακυμάνσεων της γωνίας συστροφής ήταν μια απροσδόκητη έκπληξη για εμάς», λέει ο Dean. «Αυτό ανοίγει ενδιαφέρουσες ιδέες σχετικά με τον τρόπο αλληλεπίδρασης της μηχανικής καταπόνησης και των χωρικά ελεγχόμενων παραλλαγών γωνίας για να αποκτήσετε περαιτέρω έλεγχο στη δομή της ηλεκτρονικής ζώνης σε συστήματα συνεστραμμένων στρωμάτων».

Η ομάδα της Κολούμπια χαρτογραφεί τώρα το διάγραμμα φάσης παραμόρφωσης-γωνίας γύρω από το εύρος της μαγικής γωνίας σε συνεστραμμένο διπλοστοιβάδα γραφένιο χρησιμοποιώντας έναν συνδυασμό φασματοσκοπίας μεταφοράς και ανιχνευτή σάρωσης. Οι ερευνητές διερευνούν επίσης εάν μπορούν να εφαρμόσουν την τεχνική σε άλλα συστήματα δισδιάστατων υλικών. Στους ημιαγωγούς, για παράδειγμα, η κάμψη θα μπορούσε να οδηγήσει και να διοχετεύσει εξιτόνια (ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών), ενώ στα μαγνητικά δισδιάστατα συστήματα, θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία ασυνήθιστων μαγνητικών υφών. «Τέλος, διερευνούμε τρόπους για να επιτύχουμε κάμψη μέσω ηλεκτροστατικών ή άλλων μη μηχανικών μέσων», αποκαλύπτει ο Dean. «Αυτά θα μπορούσαν να επιτρέψουν τον επιτόπιο δυναμικό έλεγχο της γωνίας συστροφής σε συστήματα διπλής στιβάδας».

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
• BlockOffsets. Εκσυγχρονισμός της περιβαλλοντικής αντιστάθμισης ιδιοκτησίας. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/graphene-ribbons-advance-twistronics/