A grafén szalagok továbbfejlesztik a twistronicot – Fizika világa

A grafén szalagok továbbfejlesztik a twistronicot – Fizika világa

Időbélyeg: 19. szeptember 2023. 4:27

Szürkével illusztrált ívelt grafénszalag, egy másik grafénlaphoz fektetve. A szalagréteg félköríves ívhez hasonló formára van hajlítva
A görbén: egy ívelt grafénszalag, szürkével ábrázolva, egy másik grafénlaphoz fektetve. Folyamatosan változik a csavarási szög a fenti szalag és az alatta lévő lap között. A két lap atomrácsai helyenként 0°-os szöget zárnak be egymással, másutt pedig akár 5°-ot is elcsavarnak egymáshoz képest. (Jóvolt: Cory Dean, Columbia Egyetem)

A négyzetek helyett a grafénszalagok jobb platformot jelenthetnek a kétdimenziós (2D) anyagok szomszédos rétegeinek csavarásából és feszüléséből adódó szokatlan elektronikus hatások vizsgálatára. Ezt állapították meg amerikai, dán, francia és japán tudósok, akiknek megközelítése jelentősen eltér a korábbi „twistronics” tanulmányoktól, amelyek két anyagpehely egymáshoz képesti összecsavarására, majd egymásra helyezésére összpontosítottak. A csapat szerint az új szalag alapú technika segítségével a kutatók jobban kontrollálhatják a csavarodási szöget, így könnyebben tanulmányozhatók az elektronikus effektek.

Az elmúlt években a kutatók azt találták, hogy megváltoztathatják a 2D anyagok elektronikus tulajdonságait azáltal, hogy ezeknek az anyagoknak a rétegeit egymásra rakják, és változtatják a köztük lévő szöget. Például a grafén kettős rétegében általában nincs sávrés, de egy másik 2D anyaggal, a hatszögletű bór-nitriddel (hBN) érintkezve kialakul.

Ez a változás azért következik be, mert a hBN rácsállandója – az atomok elrendezésének mértéke – közel azonos a grafénével, de nem egészen. A grafén és a hBN kissé nem illeszkedő rétegei egy nagyobb, moaré szuperrácsként ismert struktúrát alkotnak, és a közeli atomok közötti kölcsönhatások ebben a szuperrácsban lehetővé teszik sávrés kialakulását. Ha ezután a rétegeket úgy csavarják meg, hogy tovább csússzanak, és a köztük lévő szög nagy lesz, a sávköz eltűnik. Hasonlóképpen, a grafén önmagában is hangolható félig fémből félvezetővé, sőt szupravezetővé is, az egyes grafénrétegek közötti szögtől függően.

A hagyományos anyagok elektronikus tulajdonságainak ilyen sokféleségének eléréséhez a tudósoknak általában meg kell változtatniuk kémiai összetételüket adalékanyagok vagy szándékos szennyeződések bevezetésével. Az, hogy ezt egy 2D-s anyagban egyszerűen a rétegek közötti csavarási szög megváltoztatásával lehet megtenni, alapvetően új irány az eszköztervezésben, és ezt „twistronics”-nak nevezték el.

A probléma az, hogy a csavarási szögeket és a kapcsolódó feszültséget nehéz szabályozni, ami azt jelenti, hogy a minta különböző területei kényelmetlenül eltérő elektronikus tulajdonságokkal rendelkezhetnek. A legújabb munkában egy csapat vezetésével Cory Dean of Columbia Egyetem Az Egyesült Államokban úgy oldották meg ezt a problémát, hogy egy szalag alakú grafénréteget helyeztek el (nem pedig egy négyzet alakú pelyhet, mint általában) egy hBN réteg tetejére, és piezoatomos erőmikroszkóp segítségével lassan meghajlították a szalag egyik végét. Az így létrejövő szerkezet csavarodási szöge folyamatosan változik attól a ponttól, ahol a szalag elkezd hajlítani, egészen a végéig. A nyúlás ellenőrizetlen változásai helyett a minta egységes alakváltozási profillal rendelkezik, amely teljes mértékben megjósolható a hajlított szalag határalakjával.

A szög- és alakváltozási gradiensek megtartása

Kísérleteikben, amelyeket részletesen a Tudomány, Dean és munkatársai az egyik grafénréteget félköríves ívre emlékeztető formára hajlították. Aztán ezt a réteget egy második, meg nem hajlított réteg tetejére helyezték. „Ha ilyen módon egymáshoz helyezzük, szándékosan bevezetünk egy szög gradienst az ív mentén, és egy alakváltozási gradienst az ív mentén” – magyarázza Dean. „Úgy találjuk, hogy ahelyett, hogy lehetővé tennénk a lokális csavarodási szög vagy alakváltozás véletlenszerű ingadozását, a kombinált két réteg megtartja azt a szög- és alakváltozási gradienst, amelyet a hajlítási folyamat során biztosítunk.”

A grafénszalag hajlítása azonban nem egyszerű. A kutatók úgy sikerültek, hogy először szalagot vágtak le egy nagyobb graféndarabból atomerőmikroszkópos (AFM) alapú eljárással. Ezután külön „csúszkát” készítettek egy többrétegű, ömlesztett grafitdarabból, amely egy kerek korongból állt, és a külső peremén fogantyúk voltak. Ezt a csúszkát ezután a szalag egyik végére helyezték, és egy AFM hegy végén keresztül tolták rajta. "A csúszka az AFM hegyével vezérelhető, és eltávolítható, miután a szalagot formára hajlították" - magyarázza Dean.

Ennek a folyamatnak az egyik legfontosabb jellemzője, hogy a grafénszalag határfelületi súrlódása viszonylag alacsony, ha hBN-re helyezzük, ami azt jelenti, hogy terhelés hatására meghajlítható, ugyanakkor elég magas ahhoz, hogy a szalag megtartsa hajlított alakját, amikor a terhelést elengedjük.

Az, hogy a szalag milyen mértékben hajlik meg, a szalag hosszától és szélességétől függ, valamint attól, hogy az AFM hegye mekkora erőt fejt ki a végére. A kutatók azt találták, hogy a hosszú, keskeny szalagokat (vagyis a nagy képarányú szalagokat) a legkönnyebb ellenőrzött módon meghajlítani.

„Példátlan hozzáférés a csavart szögű fázisdiagramhoz”

Dean elmondja, hogy az alakváltozás és a csavarodási szög folyamatos hangolása révén a kutatók soha nem látott hozzáférést biztosítanak a csavart szögek „fázisdiagramjához”. Fizika Világa. „A csavart kettős réteg elektronikus sávszerkezete rendkívül érzékeny a csavarodási szögre, például a „varázsszög” csak egytized fokos 1.1°-os szöggel van meghatározva. A lassú és szabályozható csavarás azt jelenti, hogy ezt a függőséget egyetlen eszközben olyan pontossággal leképezhetjük, amely korábban nem volt lehetséges.”

És ez még nem minden: mivel kísérletileg szinte teljesen ismeretlen a feszültség szerepe a varázsszög kettősrétegű grafénrendszerekben, az új technika adja az első lehetőséget annak reprodukálható módon történő mérésére. „Technikailag váratlan meglepetés volt számunkra az az elképzelés, hogy a deformációs gradiens bevezetése segíthet elnyomni a véletlenszerű csavarodási szög változásait” – mondja Dean. "Ez érdekes ötleteket nyit meg arra vonatkozóan, hogy miként játsszuk össze a feszültségtervezést és a térben szabályozott szögvariációkat, hogy további irányítást szerezzünk az elektronikus sávszerkezet felett a csavart rétegű rendszerekben."

A Columbia csapata most feltérképezi az alakváltozási szög fázisdiagramját a csavart kétrétegű grafén mágikus szögtartománya körül a transzport- és pásztázószondás spektroszkópia kombinációjával. A kutatók azt is vizsgálják, hogy alkalmazhatják-e a technikát más 2D-s anyagrendszerekben. A félvezetőkben például a hajlítás az excitonokat (elektron-lyuk párokat) vezetheti és tölcsérbe juttathatja, míg a mágneses 2D rendszerekben szokatlan mágneses textúrák létrehozására használható. „Végezetül azt vizsgáljuk, hogyan érhetjük el a hajlítást elektrosztatikus vagy más nem mechanikus eszközökkel” – árulja el Dean. "Ezek lehetővé tehetik a csavarodási szög in situ dinamikus szabályozását a kétrétegű rendszerekben."

Időbélyeg:

Még több Fizika Világa