Sudut Putar Lokal Dalam Graphene Mulai Terlihat

Diterbitkan Ulang Oleh Plato

Followers: 0

Diagram skema tentang bagaimana metode ini secara langsung memvisualisasikan variasi sudut puntir lokal pada material 2D yang dipelintir — Pelintiran yang berbeda: Diagram skematik yang menunjukkan bagaimana metode ini secara langsung memvisualisasikan variasi sudut puntir lokal pada material 2D yang dipelintir. Teknik baru ini mengungkapkan variasi nyata dalam sudut puntiran lokal pada graphene bilayer yang terpilin. (Sumber: S Zhu)

Menumpuk lapisan bahan dua dimensi di atas satu sama lain dan memvariasikan sudut puntir di antara keduanya akan mengubah sifat elektroniknya secara besar-besaran. Caranya adalah dengan mendapatkan sudut putaran yang tepat, dan mengetahui kapan Anda telah melakukannya. Para peneliti di Tiongkok kini telah mengembangkan teknik yang membantu mengatasi bagian kedua dari tantangan ini. Dengan memungkinkan para ilmuwan untuk secara langsung memvisualisasikan variasi sudut puntiran lokal, teknik baru ini menjelaskan struktur elektronik bahan yang dipelintir dan mempercepat pengembangan perangkat yang memanfaatkan sifat-sifatnya.

Grafena (bentuk 2D karbon yang tebalnya hanya satu atom) tidak memiliki celah pita elektronik. Sepasang lapisan graphene juga tidak bertumpuk satu sama lain. Namun, jika Anda menambahkan bahan 2D lain yang disebut heksagonal boron nitrida (hBN) ke tumpukan, akan muncul celah pita. Hal ini karena konstanta kisi hBN – ukuran susunan atom – hampir sama dengan grafena, namun tidak persis sama. Lapisan graphene dan hBN yang sedikit tidak cocok membentuk struktur yang lebih besar yang dikenal sebagai superlattice moiré, dan interaksi antara atom-atom terdekat dalam superlattice ini memungkinkan terbentuknya celah. Jika lapisan-lapisan tersebut kemudian dipelintir sehingga semakin tidak sejajar, interaksi kisi melemah, dan celah pita menghilang.

Untuk mencapai perubahan pada bahan konvensional biasanya memerlukan ilmuwan untuk mengubah komposisi kimia bahan tersebut. Memvariasikan sudut puntir antar lapisan material 2D adalah pendekatan yang sepenuhnya berbeda, dan kemungkinan terkait memulai bidang rekayasa perangkat baru yang dikenal sebagai twistronik. Masalahnya adalah sudut puntir sulit dikendalikan, dan jika area sampel yang berbeda memiliki sudut puntir yang tidak merata, sifat elektronik sampel akan bervariasi dari satu lokasi ke lokasi lain. Hal ini jauh dari ideal untuk perangkat berperforma tinggi, sehingga para peneliti telah mencari cara untuk memvisualisasikan ketidakhomogenan tersebut dengan lebih tepat.

Sebuah metode baru berdasarkan sMIM

Dalam pekerjaan baru, sebuah tim yang dipimpin oleh Hong-Jun Gao dan Shiyu Zhu dari Institut Fisika, Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok, mengadaptasi metode yang disebut pemindaian mikroskop impedansi gelombang mikro (sMIM) yang baru-baru ini dikembangkan oleh Zhixun Shen dan rekan-rekan di Stanford University di Amerika. Metode yang diadaptasi ini melibatkan penerapan berbagai tegangan gerbang ke sampel dan menganalisis fluktuasi konduktivitas dalam data sMIM pada berbagai posisi di dalamnya. “Proses ini memberikan tegangan gerbang yang sesuai dengan celah pita moiré, yang menunjukkan pita elektronik terisi penuh, yang secara langsung mengungkap detail tentang superlattice moiré dan sudut puntir lokal,” jelas Zhu.

Ketika para peneliti menguji metode ini pada sampel graphene bilayer bengkok berkualitas tinggi yang dibuat oleh rekan mereka Qianying Hu, Yang Xu dan Jiawei Hu, mereka mampu mendeteksi variasi sudut puntir secara langsung. Mereka juga mengumpulkan informasi tentang konduktivitas area lokal, dan mengkarakterisasi keadaan elektronik lainnya seperti keadaan Hall kuantum dan isolator Chern dengan menerapkan medan magnet di luar bidang. “Kami melakukan pengukuran ini secara bersamaan,” kata Zhu. “Ini memungkinkan kami memperoleh informasi keadaan kuantum secara langsung dalam kondisi sudut putaran lokal yang berbeda.”

Teknik baru ini mengungkapkan variasi nyata dalam sudut putaran lokal sekitar 0.3° pada jarak beberapa mikron, tambahnya. Hal ini juga memungkinkan tim untuk mengukur konduktivitas lokal, yang tidak mungkin dilakukan dengan metode alternatif yang menggunakan transistor elektron tunggal untuk mengukur kompresibilitas atau nanoSQUID untuk mengukur medan magnet. Terlebih lagi, untuk sampel graphene bilayer bengkok yang ditutupi oleh lapisan isolasi BN, metode baru ini memiliki keunggulan signifikan dibandingkan mikroskop terowongan pemindaian konvensional, karena dapat menembus lapisan isolasi.

Menjelajahi keadaan kuantum baru

“Pekerjaan kami telah mengungkap variasi sudut puntir lokal di dalam dan di antara domain material dua dimensi yang terpelintir,” kata Zhu Dunia Fisika. “Hal ini telah memperdalam pemahaman kami tentang keadaan mikroskopis sampel, memungkinkan kami menjelaskan banyak fenomena eksperimental yang sebelumnya diamati dalam pengukuran 'rata-rata massal'. Hal ini juga memberikan cara untuk mengeksplorasi keadaan kuantum baru yang sulit diamati secara makroskopis, dan menawarkan wawasan dari perspektif mikroskopis.”

Pita graphene memajukan twistronik

Berkat pengukuran ini, ketidakrataan sudut puntir lokal pada material dua dimensi yang terpelintir seharusnya tidak lagi menjadi penghalang untuk mempelajari keadaan kuantum baru, tambahnya. “Sebaliknya, berkat banyaknya distribusi sudut puntir lokal yang telah kami amati, kini dimungkinkan untuk membandingkan berbagai keadaan kuantum secara bersamaan dalam berbagai kondisi sudut puntir lokal dan kondisi struktur pita dalam satu sampel.”

Para peneliti sekarang bertujuan untuk memperluas teknik mereka ke sistem twisted yang lebih luas dan sistem moiré heterostruktur – misalnya, pada material seperti twisted bilayer MoTe.₂ dan WSe₂/ WS₂. Mereka juga ingin melakukan pengukuran rata-rata massal dan membandingkan hasilnya dengan pengukuran lokal menggunakan metode baru mereka.