Les rubans de graphène font progresser la twistronique – Physics World

Les rubans de graphène font progresser la twistronique – Physics World

Horodatage: 19 septembre 2023 4:27 AM

Un ruban de graphène incurvé, illustré en gris, posé à plat contre une autre feuille de graphène. La couche de ruban est pliée pour prendre une forme qui ressemble à un arc semi-circulaire.
Sur la courbe : un ruban de graphène incurvé, illustré en gris, posé à plat contre une autre feuille de graphène. Il y a un changement continu dans l'angle de torsion entre le ruban du dessus et la feuille du dessous. À certains endroits, les réseaux atomiques des deux feuilles s’alignent à un angle de 0° l’un par rapport à l’autre, tandis qu’à d’autres, ils sont tordus l’un par rapport à l’autre jusqu’à 5°. (Avec l'aimable autorisation de Cory Dean, Université de Columbia)

Les rubans de graphène, plutôt que les carrés, pourraient constituer une meilleure plate-forme pour sonder les effets électroniques inhabituels résultant de la torsion et de la contrainte de couches adjacentes de matériaux bidimensionnels (2D). C’est la découverte de scientifiques aux États-Unis, au Danemark, en France et au Japon, dont l’approche diffère considérablement des précédentes études de « twistronique » qui se concentraient sur la torsion de deux flocons de matériau l’un par rapport à l’autre, puis sur leur empilement. Selon l'équipe, la nouvelle technique basée sur le ruban pourrait donner aux chercheurs un meilleur contrôle sur l'angle de torsion, rendant ainsi les effets électroniques plus faciles à étudier.

Ces dernières années, les chercheurs ont découvert qu’ils pouvaient modifier les propriétés électroniques des matériaux 2D en empilant des couches de ces matériaux les unes sur les autres et en faisant varier l’angle entre elles. Par exemple, une bicouche de graphène n’a normalement pas de bande interdite, mais elle en développe une lorsqu’elle est placée en contact avec un autre matériau 2D, le nitrure de bore hexagonal (hBN).

Ce changement se produit parce que la constante de réseau du hBN – une mesure de la façon dont ses atomes sont disposés – est presque la même que celle du graphène, mais pas tout à fait. Les couches légèrement incompatibles de graphène et de hBN forment une structure plus grande connue sous le nom de super-réseau moiré, et les interactions entre les atomes proches de ce super-réseau permettent la formation d'une bande interdite. Si les couches sont ensuite tordues de manière à être encore plus mal alignées et que l'angle entre elles devient grand, la bande interdite disparaît. De même, le graphène lui-même peut être modifié de semi-métallique à semi-conducteur et même supraconducteur en fonction de l'angle entre les différentes couches de graphène.

Pour obtenir cette variété de propriétés électroniques dans des matériaux conventionnels, les scientifiques doivent normalement modifier leur composition chimique en introduisant des dopants ou des impuretés délibérées. Être capable de le faire dans un matériau 2D simplement en modifiant l'angle de torsion entre les couches est donc une direction fondamentalement nouvelle dans l'ingénierie des dispositifs, et a été surnommée « twistronique ».

Le problème est que les angles de torsion et la déformation associée sont difficiles à contrôler, ce qui signifie que différentes zones d’un échantillon peuvent avoir des propriétés électroniques très différentes. Dans le dernier travail, une équipe dirigée par Cory Doyen of L'Université de Columbia aux États-Unis, a surmonté ce problème en plaçant une couche de graphène en forme de ruban (plutôt qu'un flocon carré comme c'est généralement le cas) sur une couche de hBN et en pliant lentement une extrémité du ruban à l'aide d'un microscope à force piézo-atomique. La structure résultante présente un angle de torsion qui varie continuellement depuis le point où le ruban commence à se plier jusqu'à son extrémité. Et au lieu de variations incontrôlées de déformation, l’échantillon présente désormais un profil de déformation uniforme qui peut être entièrement prédit par la forme des limites du ruban plié.

Maintien des gradients d'angle et de déformation

Dans leurs expériences, détaillées dans Sciences, Dean et ses collègues ont plié l'une des couches de graphène pour lui donner une forme qui ressemble à un arc semi-circulaire. Ensuite, ils ont placé cette couche au-dessus d’une deuxième couche non pliée. "Lorsque nous sommes placés ensemble de cette manière, nous introduisons intentionnellement un gradient d'angle le long de l'arc et un gradient de déformation à travers l'arc", explique Dean. "Nous constatons qu'au lieu de permettre des fluctuations aléatoires de l'angle de torsion ou de la déformation locale, les deux couches combinées maintiennent les gradients d'angle et de déformation que nous transmettons pendant le processus de pliage."

Plier le ruban de graphène n’est cependant pas facile. Les chercheurs y sont parvenus en découpant d’abord un ruban à partir d’un plus gros morceau de graphène à l’aide d’un processus basé sur la microscopie à force atomique (AFM). Ensuite, ils ont fabriqué un « curseur » séparé à partir d’un morceau de graphite multicouche en vrac constitué d’un disque rond fabriqué avec des poignées sur le bord extérieur. Ce curseur a ensuite été positionné sur une extrémité du ruban et poussé dessus à l’aide de l’extrémité d’une pointe AFM. "Le curseur peut être contrôlé par la pointe de l'AFM et retiré une fois le ruban plié", explique Dean.

Une caractéristique clé de ce processus est que le frottement interfacial du ruban de graphène est relativement faible lorsqu'il est placé sur le hBN, ce qui signifie qu'il peut être plié sous charge, tout en étant suffisamment élevé pour permettre au ruban de conserver sa forme pliée lorsque la charge est relâchée.

La mesure dans laquelle le ruban se pliera dépend de la longueur et de la largeur du ruban et de la force appliquée à son extrémité par la pointe de l'AFM. Les chercheurs ont découvert que les rubans longs et étroits (c’est-à-dire les rubans avec un rapport hauteur/largeur élevé) sont les plus faciles à plier de manière contrôlée.

« Accès sans précédent au diagramme de phase à angle torsadé »

Être capable d'ajuster en permanence à la fois la déformation et l'angle de torsion donnera aux chercheurs un accès sans précédent au « diagramme de phase » des angles de torsion, explique Dean. Monde de la physique. « La structure de bande électronique de la bicouche torsadée est extrêmement sensible à l'angle de torsion, avec, par exemple, « l'angle magique » étant défini avec seulement un dixième de degré de 1.1°. Une torsion lente et contrôlable signifie que nous pouvons cartographier cette dépendance dans un seul appareil avec une précision auparavant impossible.

Et ce n’est pas tout : puisque le rôle de la déformation sur les systèmes de graphène bicouche à angle magique est presque totalement inconnu expérimentalement, la nouvelle technique offre la première opportunité de le mesurer de manière reproductible. "Techniquement, l'idée selon laquelle l'introduction d'un gradient de déformation pourrait aider à supprimer les variations aléatoires de l'angle de torsion a été une surprise inattendue pour nous", explique Dean. "Cela ouvre des idées intéressantes sur la façon d'interagir entre l'ingénierie des contraintes et les variations d'angle contrôlées spatialement pour mieux contrôler la structure de la bande électronique dans les systèmes à couches torsadées."

L'équipe de Columbia cartographie actuellement le diagramme de phase déformation-angle autour de la plage d'angle magique dans le graphène bicouche torsadé en utilisant une combinaison de spectroscopie de transport et de sonde de balayage. Les chercheurs étudient également s’ils peuvent appliquer la technique à d’autres systèmes de matériaux 2D. Dans les semi-conducteurs, par exemple, la courbure pourrait guider et canaliser les excitons (paires électron-trou), tandis que dans les systèmes magnétiques 2D, elle pourrait être utilisée pour créer des textures magnétiques inhabituelles. "Enfin, nous explorons les moyens de réaliser le pliage par des moyens électrostatiques ou autres moyens non mécaniques", révèle Dean. "Ceux-ci pourraient permettre un contrôle dynamique in situ de l'angle de torsion dans les systèmes bicouches."

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