Grafeenpaelad edendavad twistronikat – füüsikamaailm

Grafeenist paelad, mitte ruudud, võiksid olla parem platvorm kahemõõtmeliste (2D) materjalide külgnevate kihtide keerdumisel ja pingutamisel tekkivate ebatavaliste elektrooniliste efektide uurimiseks. Nii leidsid USA, Taani, Prantsusmaa ja Jaapani teadlased, kelle lähenemine erineb oluliselt varasematest "twistronics" uuringutest, mis keskendusid kahe materjalihelbe üksteise suhtes väänamisele ja seejärel virnastamisele. Meeskonna sõnul võib uus lindil põhinev tehnika anda teadlastele parema kontrolli pöördenurga üle, muutes elektrooniliste efektide uurimise lihtsamaks.

Viimastel aastatel on teadlased leidnud, et nad saavad muuta 2D-materjalide elektroonilisi omadusi, asetades nende materjalide kihid üksteise peale ja muutes nende vahelist nurka. Näiteks grafeeni kaksikkihil ei ole tavaliselt ribavahet, kuid see tekib kokkupuutel teise 2D materjaliga, kuusnurkse boornitriidiga (hBN).

See muutus tuleneb sellest, et hBN-i võrekonstant – selle aatomite paigutuse mõõt – on peaaegu sama, mis grafeenil, kuid mitte päris. Veidi mittevastavad grafeeni ja hBN-i kihid moodustavad suurema struktuuri, mida tuntakse muaree-supervõrena, ja selle supervõre lähedalasuvate aatomite vahelised interaktsioonid võimaldavad moodustada ribapilu. Kui kihid on seejärel keeratud nii, et need on veelgi valesti joondatud ja nendevaheline nurk muutub suureks, kaob ribade vahe. Samamoodi saab grafeeni iseseisvalt häälestada poolmetallist pooljuhtivaks ja isegi ülijuhtivaks olenevalt üksikute grafeenikihtide vahelisest nurgast.

Tavaliste materjalide elektrooniliste omaduste mitmekesisuse saavutamiseks peavad teadlased tavaliselt muutma nende keemilist koostist lisandite või tahtlike lisandite lisamisega. Võimalus seda teha 2D-materjalis lihtsalt kihtide vahelist pöördenurka muutes on seadme inseneritöös põhimõtteliselt uus suund ja seda on nimetatud "twistronikaks".

Probleem on selles, et pöördenurki ja sellega seotud pinget on raske kontrollida, mis tähendab, et proovi erinevatel aladel võivad olla ebamugavalt erinevad elektroonilised omadused. Viimases töös meeskond eesotsas Cory Dean of Columbia University USA-s saadi sellest probleemist üle, asetades hBN-i kihi peale lindikujulise grafeenikihi (mitte ruudukujulise helbe, nagu tavaliselt) ja painutades piesoaatomjõumikroskoobi abil aeglaselt lindi ühte otsa. Saadud struktuuril on pöördenurk, mis muutub pidevalt punktist, kus lint hakkab painduma, kuni selle lõpuni. Ning kontrollimatute pingemuutuste asemel on proovil nüüd ühtlane deformatsiooniprofiil, mida saab täielikult ennustada painutatud lindi piirikuju järgi.

Nurkade ja deformatsioonigradientide säilitamine

Nende katsetes, mida on üksikasjalikult kirjeldatud teadus, Dean ja kolleegid painutasid ühe grafeenikihi kuju, mis meenutab poolringikujulist kaarekuju. Seejärel asetasid nad selle kihi teise, painutamata kihi peale. "Sel viisil kokku asetades tutvustame tahtlikult nurga gradienti piki kaare ja deformatsioonigradienti üle kaare," selgitab Dean. "Leiame, et selle asemel, et lubada juhuslikke kõikumisi kohalikus keerdumisnurgas või deformatsioonis, säilitavad kombineeritud kaks kihti nurga ja deformatsiooni gradiente, mille me painutusprotsessi ajal anname."

Grafeenlindi painutamine pole aga lihtne. Teadlased said sellega hakkama, lõigates esmalt lindi suuremast grafeenitükist, kasutades aatomjõumikroskoopial (AFM) põhinevat protsessi. Järgmisena valmistasid nad mitmekihilisest lahtisest grafiiditükist eraldi "liuguri", mis koosnes ümmargusest kettast, mille välisserval on käepidemed. Seejärel asetati see liugur lindi ühte otsa ja lükati AFM-i otsa abil üle selle. "Liugurit saab juhtida AFM-i otsaga ja eemaldada pärast lindi kuju painutamist, " selgitab Dean.

Selle protsessi põhijooneks on see, et hBN-ile asetatuna on grafeenilindi pindadevaheline hõõrdumine suhteliselt väike, mis tähendab, et seda saab koormuse all painutada, kuid siiski piisavalt kõrge, et lint saaks koormuse vabastamisel oma painutatud kuju säilitada.

Lindi paindumise ulatus sõltub lindi pikkusest ja laiusest ning sellest, kui palju jõudu AFM-i ots selle otsa rakendab. Teadlased leidsid, et pikki kitsaid paelu (st suure kuvasuhtega linte) on kõige lihtsam kontrollitult painutada.

"Enneolematu juurdepääs keerdnurga faasidiagrammile"

Võimalus pidevalt häälestada nii deformatsiooni- kui ka pöördenurka annab teadlastele enneolematu juurdepääsu keerdnurkade "faasiskeemile", räägib Dean. Füüsika maailm. "Keerutatud kaksikkihi elektrooniline ribastruktuur on pöördenurga suhtes äärmiselt tundlik, näiteks "maagiline nurk" on defineeritud vaid ühe kümnendiku kraadiga 1.1°. Aeglane ja kontrollitav keerdumine tähendab, et saame selle sõltuvuse ühes seadmes kaardistada täpsusega, mis varem polnud võimalik.

Grafeennanoribade stabiilseks muutmine

Ja see pole veel kõik: kuna maagilise nurga kahekihiliste grafeenisüsteemide pinge roll on eksperimentaalselt peaaegu täiesti tundmatu, annab uus tehnika esimese võimaluse seda korrataval viisil mõõta. "Tehniliselt oli arusaam, et deformatsioonigradiendi kasutuselevõtt võib aidata maha suruda juhuslikke pöördenurga variatsioone, meie jaoks ootamatu üllatus, " ütleb Dean. "See avab huvitavaid ideid pingetehnoloogia ja ruumiliselt juhitavate nurkade variatsioonide koosmängimiseks, et saada täiendavat kontrolli keerdkihtsüsteemide elektroonilise ribastruktuuri üle."

Columbia meeskond kaardistab nüüd deformatsiooninurga faasidiagrammi ümber keerutatud kahekihilise grafeeni maagilise nurga vahemiku, kasutades transpordi- ja skaneerimissondi spektroskoopia kombinatsiooni. Teadlased uurivad ka seda, kas nad saavad seda tehnikat rakendada ka teiste 2D-materjalisüsteemide jaoks. Näiteks pooljuhtides võib painutamine suunata ja suunata eksitoneid (elektron-augu paare), samas kui magnetilistes 2D-süsteemides võib seda kasutada ebatavaliste magnetiliste tekstuuride loomiseks. "Lõpuks uurime võimalusi painutamiseks elektrostaatiliste või muude mittemehaaniliste vahenditega," paljastab Dean. "Need võivad võimaldada kahekihilistes süsteemides pöördenurga in situ dünaamilist juhtimist."

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• PlatoTervis. Biotehnoloogia ja kliiniliste uuringute luureandmed. Juurdepääs siia.
• BlockOffsets. Keskkonnakompensatsiooni omandi ajakohastamine. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/graphene-ribbons-advance-twistronics/