ग्राफीन रिबन ट्विस्ट्रोनिक्स को आगे बढ़ाते हैं - भौतिकी विश्व

ग्राफीन रिबन ट्विस्ट्रोनिक्स को आगे बढ़ाते हैं - भौतिकी विश्व

समय टिकट: 19 सितंबर, 2023 4:27 पूर्वाह्न

ग्रे रंग में सचित्र एक घुमावदार ग्राफीन रिबन, एक अन्य ग्राफीन शीट के सामने सपाट रखा हुआ दिखाया गया है। रिबन की परत एक अर्धवृत्ताकार मेहराब जैसी आकृति में मुड़ी हुई है
वक्र पर: एक घुमावदार ग्राफीन रिबन, जिसे भूरे रंग में चित्रित किया गया है, एक अन्य ग्राफीन शीट के सामने सपाट रखा हुआ दिखाया गया है। ऊपर रिबन और नीचे शीट के बीच मोड़ कोण में निरंतर परिवर्तन होता रहता है। कुछ स्थानों पर दो शीटों की परमाणु जाली एक-दूसरे से 0° के कोण पर पंक्तिबद्ध होती हैं, जबकि अन्य में, वे एक-दूसरे के सापेक्ष 5° तक मुड़ी होती हैं। (सौजन्य: कोरी डीन, कोलंबिया विश्वविद्यालय)

वर्गों के बजाय ग्राफीन के रिबन, दो-आयामी (2 डी) सामग्री की आसन्न परतों को मोड़ने और तनाव से उत्पन्न होने वाले असामान्य इलेक्ट्रॉनिक प्रभावों की जांच के लिए एक बेहतर मंच बना सकते हैं। यह अमेरिका, डेनमार्क, फ्रांस और जापान के वैज्ञानिकों की खोज है, जिनका दृष्टिकोण पिछले "ट्विस्ट्रोनिक्स" अध्ययनों से काफी अलग है जो सामग्री के दो टुकड़ों को एक दूसरे के संबंध में मोड़ने और फिर उन्हें ढेर करने पर केंद्रित था। टीम के अनुसार, नई रिबन-आधारित तकनीक शोधकर्ताओं को मोड़ कोण पर बेहतर नियंत्रण दे सकती है, जिससे इलेक्ट्रॉनिक प्रभावों का अध्ययन करना आसान हो जाएगा।

हाल के वर्षों में, शोधकर्ताओं ने पाया है कि वे इन सामग्रियों की परतों को एक-दूसरे के ऊपर रखकर और उनके बीच के कोण को अलग-अलग करके 2डी सामग्रियों के इलेक्ट्रॉनिक गुणों को बदल सकते हैं। उदाहरण के लिए, ग्राफीन की एक बाइलेयर में आम तौर पर एक बैंड गैप नहीं होता है, लेकिन जब इसे किसी अन्य 2डी सामग्री, हेक्सागोनल बोरॉन नाइट्राइड (एचबीएन) के संपर्क में रखा जाता है, तो यह एक बैंड गैप विकसित करता है।

यह परिवर्तन इसलिए होता है क्योंकि एचबीएन का जाली स्थिरांक - इसके परमाणुओं को कैसे व्यवस्थित किया जाता है इसका एक माप - लगभग ग्राफीन के समान है, लेकिन काफी नहीं। ग्राफीन और एचबीएन की थोड़ी बेमेल परतें एक बड़ी संरचना बनाती हैं जिसे मोइरे सुपरलैटिस के रूप में जाना जाता है, और इस सुपरलैटिस में आस-पास के परमाणुओं के बीच की बातचीत एक बैंड गैप बनाने की अनुमति देती है। यदि परतों को मोड़ दिया जाता है ताकि वे और अधिक गलत तरीके से संरेखित हो जाएं और उनके बीच का कोण बड़ा हो जाए, तो बैंड गैप गायब हो जाता है। इसी तरह, ग्राफीन को अलग-अलग ग्राफीन परतों के बीच के कोण के आधार पर अर्ध-धात्विक से अर्धचालक और यहां तक ​​कि सुपरकंडक्टिंग में भी ट्यून किया जा सकता है।

पारंपरिक सामग्रियों में इलेक्ट्रॉनिक गुणों की इस विविधता को प्राप्त करने के लिए, वैज्ञानिकों को आमतौर पर डोपेंट, या जानबूझकर अशुद्धियों को शामिल करके उनकी रासायनिक संरचना को बदलने की आवश्यकता होती है। परतों के बीच मोड़ कोण को बदलकर 2डी सामग्री में ऐसा करने में सक्षम होना डिवाइस इंजीनियरिंग में एक मौलिक रूप से नई दिशा है, और इसे "ट्विस्ट्रोनिक्स" करार दिया गया है।

समस्या यह है कि मोड़ कोण और संबंधित तनाव को नियंत्रित करना कठिन है, जिसका अर्थ है कि नमूने के विभिन्न क्षेत्रों में असुविधाजनक रूप से भिन्न इलेक्ट्रॉनिक गुण हो सकते हैं। नवीनतम कार्य में, एक टीम का नेतृत्व किया गया कोरी डीन of कोलंबिया विश्वविद्यालय अमेरिका में एचबीएन की एक परत के ऊपर रिबन के आकार की ग्राफीन परत (जैसा कि आमतौर पर होता है, चौकोर परत के बजाय) रखकर और पीजो-परमाणु बल माइक्रोस्कोप का उपयोग करके रिबन के एक छोर को धीरे-धीरे मोड़कर इस समस्या पर काबू पा लिया गया। परिणामी संरचना में एक मोड़ कोण होता है जो उस बिंदु से लेकर उसके अंत तक लगातार बदलता रहता है जहां से रिबन झुकना शुरू करता है। और तनाव में अनियंत्रित भिन्नताओं के बजाय, नमूने में अब एक समान तनाव प्रोफ़ाइल है जिसे मुड़े हुए रिबन की सीमा आकार द्वारा पूरी तरह से भविष्यवाणी की जा सकती है।

कोण और तनाव प्रवणता बनाए रखना

उनके प्रयोगों में जिनका विवरण दिया गया है विज्ञान, डीन और सहकर्मियों ने ग्राफीन परतों में से एक को ऐसे आकार में मोड़ा जो एक अर्ध-गोलाकार मेहराब जैसा दिखता है। फिर उन्होंने इस परत को दूसरी, बिना मुड़ी हुई, परत के ऊपर रख दिया। डीन बताते हैं, "जब इस तरीके से एक साथ रखा जाता है तो हम जानबूझकर चाप के साथ एक कोण ढाल और चाप के पार एक तनाव ढाल पेश करते हैं।" "हमने पाया है कि स्थानीय मोड़ कोण या तनाव में यादृच्छिक उतार-चढ़ाव की अनुमति देने के बजाय, संयुक्त दो परतें उस कोण और तनाव ग्रेडिएंट को बनाए रखती हैं जो हम झुकने की प्रक्रिया के दौरान प्रदान करते हैं।"

हालाँकि, ग्राफीन रिबन को मोड़ना आसान नहीं है। शोधकर्ताओं ने पहले परमाणु बल माइक्रोस्कोपी (एएफएम)-आधारित प्रक्रिया का उपयोग करके ग्राफीन के एक बड़े टुकड़े से एक रिबन काटकर इसे प्रबंधित किया। इसके बाद, उन्होंने ग्रेफाइट के एक बहु-परत, बड़े टुकड़े से एक अलग "स्लाइडर" बनाया, जिसमें बाहरी रिम पर हैंडल के साथ निर्मित एक गोल डिस्क शामिल थी। फिर इस स्लाइडर को रिबन के एक छोर पर रखा गया और एएफएम टिप के छोर का उपयोग करके इसे पार किया गया। डीन बताते हैं, "स्लाइडर को एएफएम टिप द्वारा नियंत्रित किया जा सकता है और रिबन को आकार में मोड़ने के बाद हटाया जा सकता है।"

इस प्रक्रिया की एक प्रमुख विशेषता यह है कि ग्राफीन रिबन का इंटरफेशियल घर्षण एचबीएन पर रखे जाने पर अपेक्षाकृत कम होता है, जिसका अर्थ है कि इसे लोड के तहत मोड़ा जा सकता है, फिर भी यह इतना ऊंचा है कि लोड जारी होने पर रिबन अपने मुड़े हुए आकार को बनाए रख सकता है।

रिबन किस हद तक झुकेगा यह रिबन की लंबाई और चौड़ाई पर निर्भर करता है और एएफएम टिप द्वारा इसके अंत पर कितना बल लगाया जाता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि लंबे, संकीर्ण रिबन (यानी, बड़े पहलू अनुपात वाले रिबन) को नियंत्रित तरीके से मोड़ना सबसे आसान है।

"मुड़ कोण चरण आरेख तक अभूतपूर्व पहुंच"

डीन बताते हैं कि स्ट्रेन और ट्विस्ट कोण दोनों को लगातार ट्यून करने में सक्षम होने से शोधकर्ताओं को ट्विस्टेड कोणों के "चरण आरेख" तक अभूतपूर्व पहुंच मिलेगी। भौतिकी की दुनिया. “ट्विस्टेड बाइलेयर की इलेक्ट्रॉनिक बैंड संरचना ट्विस्ट एंगल के प्रति बेहद संवेदनशील है, उदाहरण के लिए, 'मैजिक एंगल' को 1.1° की डिग्री के केवल दसवें हिस्से के साथ परिभाषित किया गया है। धीमी और नियंत्रणीय घुमाव का मतलब है कि हम इस निर्भरता को एक ही डिवाइस में इतनी सटीकता से मैप कर सकते हैं जो पहले संभव नहीं था।

और इतना ही नहीं: चूंकि मैजिक एंगल बाइलेयर ग्राफीन सिस्टम पर तनाव की भूमिका प्रयोगात्मक रूप से लगभग पूरी तरह से अज्ञात है, नई तकनीक इसे पुनरुत्पादित तरीके से मापने का पहला अवसर प्रदान करती है। डीन कहते हैं, "तकनीकी रूप से, यह धारणा कि एक तनाव ढाल पेश करने से यादृच्छिक मोड़ कोण विविधताओं को दबाने में मदद मिल सकती है, हमारे लिए एक अप्रत्याशित आश्चर्य था।" "यह ट्विस्टेड लेयर सिस्टम में इलेक्ट्रॉनिक बैंड संरचना पर अधिक नियंत्रण पाने के लिए स्ट्रेन इंजीनियरिंग और स्थानिक रूप से नियंत्रित कोण विविधताओं को कैसे इंटरप्ले करें, इस पर दिलचस्प विचार खोलता है।"

कोलंबिया टीम अब ट्रांसपोर्ट- और स्कैन-प्रोब स्पेक्ट्रोस्कोपी के संयोजन का उपयोग करके ट्विस्टेड बाइलेयर ग्राफीन में मैजिक एंगल रेंज के आसपास स्ट्रेन-एंगल चरण आरेख का मानचित्रण कर रही है। शोधकर्ता यह भी पता लगा रहे हैं कि क्या वे इस तकनीक को अन्य 2डी सामग्री प्रणालियों पर लागू कर सकते हैं। उदाहरण के लिए, अर्धचालकों में, झुकने से एक्सिटॉन (इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़े) का मार्गदर्शन और फ़नल हो सकता है, जबकि चुंबकीय 2डी सिस्टम में, इसका उपयोग असामान्य चुंबकीय बनावट बनाने के लिए किया जा सकता है। डीन ने खुलासा किया, "आखिरकार, हम इलेक्ट्रोस्टैटिक या अन्य गैर-यांत्रिक साधनों के माध्यम से झुकने के तरीके तलाश रहे हैं।" "ये बाइलेयर सिस्टम में ट्विस्ट कोण के इन-सीटू गतिशील नियंत्रण की अनुमति दे सकते हैं।"

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