Grafeeninauhat edistävät twistroniikkaa – Physics World

Grafeenista valmistetut nauhat neliöiden sijaan voisivat tarjota paremman alustan epätavallisten elektronisten vaikutusten tutkimiseen, joita syntyy kaksiulotteisten (2D) materiaalien vierekkäisten kerrosten vääntymisestä ja rasituksesta. Tämän ovat havainneet yhdysvaltalaiset, tanskalaiset, ranskalaiset ja japanilaiset tutkijat, joiden lähestymistapa eroaa merkittävästi aiemmista "twistronics"-tutkimuksista, joissa keskityttiin kahden materiaalihiutaleen kiertämiseen toistensa suhteen ja niiden pinoamiseen. Ryhmän mukaan uusi nauhapohjainen tekniikka voisi antaa tutkijoille paremman hallinnan kiertymiskulmasta, mikä helpottaa elektronisten tehosteiden tutkimista.

Viime vuosina tutkijat ovat havainneet, että he voivat muuttaa 2D-materiaalien elektronisia ominaisuuksia pinoamalla näiden materiaalien kerroksia päällekkäin ja muuttamalla niiden välistä kulmaa. Esimerkiksi grafeenin kaksoiskerroksessa ei normaalisti ole nauharakoa, mutta se kehittyy, kun se joutuu kosketukseen toisen 2D-materiaalin, kuusikulmainen boorinitridin (hBN) kanssa.

Tämä muutos johtuu siitä, että hBN:n hilavakio – sen atomien järjestyksen mitta – on lähes sama kuin grafeenin, mutta ei aivan. Hieman yhteensopimattomat grafeeni- ja hBN-kerrokset muodostavat suuremman rakenteen, joka tunnetaan nimellä Moiré-superhila, ja tämän superhilan läheisten atomien väliset vuorovaikutukset mahdollistavat nauharaon muodostumisen. Jos kerrokset sitten kierretään niin, että ne ovat edelleen väärin kohdistettuja ja niiden välinen kulma tulee suureksi, nauharako häviää. Samoin grafeeni yksinään voidaan virittää puolimetallisesta puolijohtavaksi ja jopa suprajohtavaksi riippuen yksittäisten grafeenikerrosten välisestä kulmasta.

Tämän elektronisten ominaisuuksien moninaisuuden saavuttamiseksi tavanomaisissa materiaaleissa tutkijoiden on tavallisesti muutettava niiden kemiallista koostumusta lisäämällä lisäaineita tai tahallisia epäpuhtauksia. Mahdollisuus tehdä tämä 2D-materiaalissa yksinkertaisesti muuttamalla kerrosten välistä kiertokulmaa on siksi täysin uusi suunta laitesuunnittelussa, ja sitä on kutsuttu "twistroniciksi".

Ongelmana on, että vääntökulmia ja niihin liittyvää jännitystä on vaikea hallita, mikä tarkoittaa, että näytteen eri alueilla voi olla epämiellyttävän erilaisia ​​elektronisia ominaisuuksia. Uusimmassa työssä johtama tiimi Cory Dean of Columbia University Yhdysvalloissa tämä ongelma voitettiin asettamalla nauhan muotoinen grafeenikerros (eikä neliömäinen hiutale, kuten yleensä on) hBN-kerroksen päälle ja taivuttamalla hitaasti nauhan toista päätä pietsoatomivoimamikroskoopilla. Tuloksena olevalla rakenteella on kiertymiskulma, joka vaihtelee jatkuvasti kohdasta, jossa nauha alkaa taipua, aina loppuun asti. Ja hallitsemattomien venymän vaihteluiden sijaan näytteellä on nyt yhtenäinen venymäprofiili, joka voidaan täysin ennustaa taivutetun nauhan rajamuodon perusteella.

Kulman ja jännitysgradientin säilyttäminen

Kokeissaan, jotka on kuvattu yksityiskohtaisesti tiede, Dean ja kollegat taivuttivat yhden grafeenikerroksista muotoon, joka muistuttaa puolipyöreää kaaria. Sitten he asettivat tämän kerroksen toisen, taipumattoman kerroksen päälle. "Kun ne asetetaan yhteen tällä tavalla, otamme tarkoituksella käyttöön kulmagradientin kaarella ja jännitysgradientin kaaren poikki", Dean selittää. "Havaitsemme, että sen sijaan, että sallittaisiin satunnaiset vaihtelut paikallisessa vääntökulmassa tai jännityksessä, yhdistetyt kaksi kerrosta säilyttävät kulman ja jännitysgradientin, jonka annamme taivutusprosessin aikana."

Grafeeninauhan taivutus ei kuitenkaan ole helppoa. Tutkijat onnistuivat leikkaamalla ensin nauhan suuremmasta grafeenipalasta atomivoimamikroskopiaan (AFM) perustuvalla prosessilla. Seuraavaksi he valmistivat erillisen "liukukappaleen" monikerroksisesta, irtotavarana olevasta grafiittikappaleesta, joka koostui pyöreästä kiekosta, jonka ulkoreunassa oli kahvat. Tämä liukusäädin asetettiin sitten nauhan toiseen päähän ja työnnettiin sen yli käyttämällä AFM-kärjen päätä. "Liukusäädintä voidaan ohjata AFM-kärjellä ja poistaa sen jälkeen, kun nauha on taivutettu muotoon", Dean selittää.

Tämän prosessin keskeinen piirre on, että grafeeninauhan rajapintojen kitka on suhteellisen alhainen, kun se asetetaan hBN:lle, mikä tarkoittaa, että sitä voidaan taivuttaa kuormituksen alaisena, mutta silti riittävän korkea, jotta nauha voi säilyttää taivutetun muotonsa, kun kuorma vapautetaan.

Nauhan taipuminen riippuu nauhan pituudesta ja leveydestä sekä siitä, kuinka paljon voimaa AFM-kärki kohdistaa sen päähän. Tutkijat havaitsivat, että pitkät, kapeat nauhat (eli nauhat, joilla on suuri kuvasuhde) ovat helpoimpia taivuttaa hallitusti.

"Ennennäkemätön pääsy kierretyn kulman vaihekaavioon"

Mahdollisuus jatkuvasti virittää sekä jännitys- että vääntökulmaa antaa tutkijoille ennennäkemättömän pääsyn kierrettyjen kulmien "vaihekaavioon", Dean kertoo. Fysiikan maailma. ”Kierretyn kaksoiskerroksen elektroninen nauharakenne on äärimmäisen herkkä kiertymiskulmalle, sillä esimerkiksi 'maaginen kulma' määritellään vain 1.1° asteen kymmenesosalla. Hidas ja hallittavissa oleva kiertyminen tarkoittaa, että voimme kartoittaa tämän riippuvuuden yhdessä laitteessa tarkkuuteen, jota ei aiemmin ollut mahdollista."

Tekee grafeeninanonauhat vakaiksi

Eikä siinä vielä kaikki: koska jännityksen rooli maagisen kulman kaksikerroksisissa grafeenijärjestelmissä on lähes täysin tuntematon kokeellisesti, uusi tekniikka tarjoaa ensimmäisen mahdollisuuden mitata se toistettavalla tavalla. "Teknisesti ajatus, että venymägradientin käyttöönotto voisi auttaa estämään satunnaisia ​​kiertymiskulmavaihteluita, oli meille odottamaton yllätys", Dean sanoo. "Tämä avaa mielenkiintoisia ideoita jännitystekniikan ja spatiaalisesti ohjattujen kulmavaihteluiden yhteensovittamisesta elektronisen kaistarakenteen hallinnan lisäämiseksi kierretyissä kerrosjärjestelmissä."

Columbia-tiimi kartoittaa nyt jännityskulman vaihekaaviota maagisen kulma-alueen ympäri kierretyssä kaksikerroksisessa grafeenissa käyttämällä kuljetus- ja skannauskoetinspektroskopian yhdistelmää. Tutkijat selvittävät myös, voivatko he soveltaa tekniikkaa muihin 2D-materiaalijärjestelmiin. Esimerkiksi puolijohteissa taivutus voisi ohjata ja ohjata eksitoneja (elektroni-reikä-pareja), kun taas magneettisissa 2D-järjestelmissä sitä voidaan käyttää epätavallisten magneettisten kuvioiden luomiseen. "Lopuksi tutkimme tapoja saavuttaa taivutus sähköstaattisten tai muiden ei-mekaanisten keinojen avulla", Dean paljastaa. "Nämä voivat mahdollistaa in situ dynaamisen kiertokulman ohjauksen kaksikerroksisissa järjestelmissä."

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
• BlockOffsets. Ympäristövastuun omistuksen nykyaikaistaminen. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/graphene-ribbons-advance-twistronics/