روبان‌های گرافن به‌پیش تویسترونیک - دنیای فیزیک

روبان‌های گرافن به‌پیش تویسترونیک - دنیای فیزیک

تمبر زمانی: 19 سپتامبر 2023، 4:27 صبح

یک نوار گرافن منحنی، که به رنگ خاکستری نشان داده شده است، به صورت صاف روی یک ورقه گرافن دیگر نشان داده شده است. لایه روبان به شکلی خم شده است که شبیه یک قوس نیم دایره است
روی منحنی: یک روبان گرافن منحنی، که به رنگ خاکستری نشان داده شده است، نشان داده شده است که در برابر یک ورقه گرافن دیگر قرار گرفته است. یک تغییر مداوم در زاویه پیچش بین روبان بالا و ورق زیر وجود دارد. در بعضی جاها شبکه های اتمی دو ورق با زاویه 0 درجه نسبت به یکدیگر ردیف می شوند، در حالی که در برخی دیگر نسبت به یکدیگر تا 5 درجه پیچ خورده اند. (با احترام: کوری دین، دانشگاه کلمبیا)

نوارهای گرافن، به جای مربع، می توانند پلت فرم بهتری برای کاوش اثرات الکترونیکی غیرمعمول ناشی از پیچاندن و فشار دادن لایه های مجاور مواد دو بعدی (2 بعدی) ایجاد کنند. این یافته دانشمندانی در ایالات متحده، دانمارک، فرانسه و ژاپن است که رویکرد آنها به طور قابل توجهی با مطالعات قبلی "twistronics" که بر چرخاندن دو تکه از مواد نسبت به یکدیگر و سپس روی هم چیدن آنها متمرکز بود، متفاوت است. به گفته این تیم، تکنیک جدید مبتنی بر روبان می‌تواند به محققان کنترل بهتری بر زاویه پیچش بدهد و مطالعه اثرات الکترونیکی را آسان‌تر کند.

در سال‌های اخیر، محققان دریافته‌اند که می‌توانند خواص الکترونیکی مواد دوبعدی را با چیدن لایه‌های این مواد روی هم و تغییر زاویه بین آنها تغییر دهند. به عنوان مثال، یک دولایه از گرافن معمولاً دارای شکاف نواری نیست، اما زمانی که در تماس با ماده دو بعدی دیگر، نیترید بور شش ضلعی (hBN) قرار می گیرد، شکاف نواری ایجاد می کند.

این تغییر به این دلیل اتفاق می‌افتد که ثابت شبکه hBN - معیاری برای نحوه چیدمان اتم‌های آن - تقریباً مشابه ثابت شبکه گرافن است، اما نه کاملاً. لایه‌های کمی ناهماهنگ گرافن و hBN ساختار بزرگ‌تری را تشکیل می‌دهند که به عنوان ابرشبکه موآره شناخته می‌شود و برهم‌کنش‌های بین اتم‌های مجاور در این ابرشبکه باعث می‌شود که یک شکاف نواری تشکیل شود. اگر لایه‌ها به‌گونه‌ای پیچانده شوند که بیشتر ناهماهنگ شوند و زاویه بین آنها زیاد شود، شکاف نواری از بین می‌رود. به طور مشابه، گرافن به تنهایی می تواند بسته به زاویه بین لایه های گرافن، از نیمه فلزی به نیمه هادی و حتی ابررسانا تنظیم شود.

برای دستیابی به این تنوع از خواص الکترونیکی در مواد معمولی، دانشمندان معمولاً باید ترکیب شیمیایی آنها را با معرفی مواد ناخالص یا ناخالصی های عمدی تغییر دهند. بنابراین، امکان انجام این کار در یک ماده دو بعدی به سادگی با تغییر زاویه پیچش بین لایه‌ها، یک جهت اساسی جدید در مهندسی دستگاه است و به آن «twistronics» می‌گویند.

مشکل این است که کنترل زوایای پیچش و کرنش مربوط به آن سخت است، به این معنی که مناطق مختلف یک نمونه ممکن است خواص الکترونیکی متفاوتی داشته باشند. در آخرین کار، تیمی به رهبری کوری دین of دانشگاه کلمبیا در ایالات متحده با قرار دادن یک لایه گرافن نواری شکل (به جای یک پوسته مربعی که معمولاً اتفاق می افتد) بر روی یک لایه hBN و به آرامی یک انتهای نوار را با استفاده از میکروسکوپ نیروی پیزو اتمی خم می کند، بر این مشکل غلبه کرد. ساختار به دست آمده دارای یک زاویه پیچش است که به طور مداوم از نقطه ای که روبان شروع به خم شدن می کند تا انتهای آن تغییر می کند. و به جای تغییرات کنترل نشده در کرنش، نمونه اکنون دارای یک نیمرخ کرنش یکنواخت است که می تواند به طور کامل توسط شکل مرزی نوار خم شده پیش بینی شود.

حفظ شیب زاویه و کرنش

در آزمایشات خود که به تفصیل در علمدین و همکارانش یکی از لایه های گرافن را به شکلی خم کردند که شبیه یک قوس نیم دایره است. سپس این لایه را روی یک لایه دوم و خم نشده قرار دادند. دین توضیح می‌دهد: «وقتی به این شکل کنار هم قرار می‌گیریم، عمداً یک شیب زاویه در امتداد قوس و یک گرادیان کرنش در سراسر قوس معرفی می‌کنیم. ما متوجه شدیم که به جای اجازه دادن به نوسانات تصادفی در زاویه پیچش یا کرنش موضعی، دو لایه ترکیبی، زاویه و شیب کرنشی را که در طول فرآیند خمش ایجاد می‌کنیم، حفظ می‌کنند.

با این حال، خم کردن نوار گرافن کار آسانی نیست. محققان ابتدا با بریدن روبانی از قطعه بزرگتر گرافن با استفاده از فرآیند مبتنی بر میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) موفق شدند. در مرحله بعد، آنها یک "لغزنده" جداگانه از یک قطعه گرافیتی چند لایه و توده ای ساختند که از یک دیسک گرد ساخته شده با دسته هایی در لبه بیرونی ساخته شده بود. سپس این نوار لغزنده روی یک انتهای روبان قرار گرفت و با استفاده از انتهای یک نوک AFM روی آن فشار داده شد. دین توضیح می‌دهد: «لغزنده را می‌توان با نوک AFM کنترل کرد و پس از اینکه روبان به شکل خم شد، آن را جدا کرد.

یکی از ویژگی‌های کلیدی این فرآیند این است که اصطکاک سطحی نوار گرافن زمانی که روی hBN قرار می‌گیرد نسبتاً کم است، به این معنی که می‌توان آن را تحت بار خم کرد، در عین حال به اندازه‌ای زیاد است که به نوار اجازه می‌دهد تا شکل خمیده‌اش را هنگام رها شدن بار حفظ کند.

میزان خم شدن روبان به طول و عرض روبان و میزان نیرویی که نوک AFM به انتهای آن وارد می شود بستگی دارد. محققان دریافتند که نوارهای بلند و باریک (یعنی نوارهایی با نسبت ابعاد بزرگ) راحت ترین خم شدن به روش کنترل شده هستند.

"دسترسی بی سابقه به نمودار فاز زاویه پیچ خورده"

دین می گوید که توانایی تنظیم مداوم هر دو زاویه کرنش و پیچش به محققان دسترسی بی سابقه ای به "نمودار فاز" زوایای پیچ خورده می دهد. دنیای فیزیک. ساختار نوار الکترونیکی دولایه پیچ خورده بسیار حساس به زاویه پیچش است، به عنوان مثال، "زاویه جادویی" تنها با یک دهم درجه 1.1 درجه تعریف می شود. چرخش آهسته و قابل کنترل به این معنی است که می‌توانیم این وابستگی را در یک دستگاه به دقتی که قبلاً ممکن نبود، ترسیم کنیم.»

و این همه ماجرا نیست: از آنجایی که نقش فشار بر روی سیستم‌های گرافن دولایه زاویه جادویی تقریباً به طور تجربی کاملاً ناشناخته است، تکنیک جدید اولین فرصت را برای اندازه‌گیری آن به روشی تکرارپذیر فراهم می‌کند. دین می‌گوید: «از لحاظ فنی، این تصور که معرفی یک گرادیان کرنش می‌تواند به سرکوب تغییرات تصادفی زاویه پیچش کمک کند، برای ما یک شگفتی غیرمنتظره بود. این ایده‌های جالبی را در مورد نحوه تعامل مهندسی کرنش و تغییرات زاویه کنترل شده فضایی برای به دست آوردن کنترل بیشتر بر ساختار نوار الکترونیکی در سیستم‌های لایه پیچ خورده باز می‌کند.

تیم کلمبیا اکنون با استفاده از ترکیبی از طیف‌سنجی انتقال و کاوشگر اسکن، نمودار فاز کرنش را در اطراف محدوده زاویه جادویی در گرافن دولایه پیچ‌خورده ترسیم می‌کند. محققان همچنین در حال بررسی این موضوع هستند که آیا می‌توانند این تکنیک را در سایر سیستم‌های مواد دو بعدی نیز اعمال کنند. به عنوان مثال، در نیمه هادی ها، خمش می تواند اکسیتون ها (جفت الکترون-حفره) را هدایت و قیف کند، در حالی که در سیستم های دو بعدی مغناطیسی، ممکن است برای ایجاد بافت های مغناطیسی غیر معمول استفاده شود. دین فاش می‌کند: «در نهایت، ما در حال بررسی راه‌هایی برای دستیابی به خمش از طریق الکترواستاتیک یا سایر ابزارهای غیر مکانیکی هستیم. اینها می توانند امکان کنترل دینامیکی درجا زاویه پیچش در سیستم های دولایه را فراهم کنند.

تمبر زمان:

بیشتر از دنیای فیزیک