Pita graphene memajukan twistronik – Dunia Fisika

Pita graphene memajukan twistronik – Dunia Fisika

Stempel Waktu: 19 September 2023 4

Pita graphene melengkung, diilustrasikan dalam warna abu-abu, ditampilkan diletakkan rata di atas lembaran graphene lainnya. Lapisan pita dibengkokkan menjadi bentuk menyerupai lengkungan setengah lingkaran
Pada kurva: Pita graphene melengkung, diilustrasikan dengan warna abu-abu, ditampilkan diletakkan rata di atas lembaran graphene lainnya. Ada perubahan terus menerus pada sudut puntir antara pita di atas dan lembaran di bawah. Di beberapa tempat, kisi-kisi atom dari kedua lembaran tersebut sejajar dengan sudut 0° satu sama lain, sementara di tempat lain, kisi-kisi atom tersebut saling terpelintir sebesar 5° relatif terhadap satu sama lain. (Sumber: Cory Dean, Universitas Columbia)

Pita graphene, bukan persegi, bisa menjadi platform yang lebih baik untuk menyelidiki efek elektronik tidak biasa yang timbul dari puntiran dan ketegangan lapisan material dua dimensi (2D) yang berdekatan. Ini adalah temuan para ilmuwan di AS, Denmark, Perancis dan Jepang, yang pendekatannya sangat berbeda dari penelitian “twistronics” sebelumnya yang berfokus pada memelintir dua serpihan material satu sama lain dan kemudian menumpuknya. Menurut tim, teknik berbasis pita baru ini dapat memberi para peneliti kontrol yang lebih baik terhadap sudut putaran, sehingga membuat efek elektronik lebih mudah dipelajari.

Dalam beberapa tahun terakhir, para peneliti telah menemukan bahwa mereka dapat mengubah sifat elektronik material 2D dengan menumpuk lapisan material tersebut di atas satu sama lain dan memvariasikan sudut di antara keduanya. Misalnya, lapisan ganda graphene biasanya tidak memiliki celah pita, namun akan berkembang ketika bersentuhan dengan bahan 2D lain, boron nitrida heksagonal (hBN).

Perubahan ini terjadi karena konstanta kisi hBN – ukuran susunan atom – hampir sama dengan grafena, namun tidak sepenuhnya 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 pita. Jika lapisan-lapisan tersebut kemudian dipelintir sehingga semakin tidak sejajar dan sudut di antara lapisan-lapisan tersebut menjadi besar, celah pita akan hilang. Demikian pula, graphene sendiri dapat disetel dari semi-logam ke semikonduktor dan bahkan superkonduktor tergantung pada sudut antara masing-masing lapisan graphene.

Untuk mencapai keragaman sifat elektronik dalam material konvensional, para ilmuwan biasanya perlu mengubah komposisi kimianya dengan memasukkan dopan, atau pengotor yang disengaja. Oleh karena itu, kemampuan untuk melakukan hal ini dalam material 2D hanya dengan mengubah sudut puntir antar lapisan merupakan arah baru yang mendasar dalam rekayasa perangkat, dan telah dijuluki “twistronics”.

Masalahnya adalah sudut puntir dan regangan yang terkait sulit dikendalikan, yang berarti bahwa area sampel yang berbeda mungkin memiliki sifat elektronik yang sangat berbeda. Dalam karya terbaru, tim dipimpin oleh Corry Dean of Columbia University di AS mengatasi masalah ini dengan menempatkan lapisan graphene berbentuk pita (bukan serpihan persegi seperti biasanya) di atas lapisan hBN dan secara perlahan menekuk salah satu ujung pita menggunakan mikroskop gaya atom piezo. Struktur yang dihasilkan mempunyai sudut puntir yang bervariasi terus menerus dari titik di mana pita mulai menekuk hingga ke ujungnya. Dan alih-alih variasi regangan yang tidak terkendali, sampel kini memiliki profil regangan seragam yang dapat diprediksi sepenuhnya berdasarkan bentuk batas pita yang tertekuk.

Mempertahankan gradien sudut dan regangan

Dalam eksperimen mereka, yang dirinci dalam Ilmu, Dean dan rekannya membengkokkan salah satu lapisan graphene menjadi bentuk yang menyerupai lengkungan setengah lingkaran. Kemudian mereka menempatkan lapisan ini di atas lapisan kedua yang tidak terikat. “Ketika ditempatkan bersama-sama dengan cara ini kami sengaja memperkenalkan gradien sudut sepanjang busur, dan gradien regangan melintasi busur,” jelas Dean. “Kami menemukan bahwa alih-alih membiarkan fluktuasi acak pada sudut puntir atau regangan lokal, gabungan dua lapisan mempertahankan gradien sudut dan regangan yang kami berikan selama proses pembengkokan.”

Namun, membengkokkan pita graphene tidaklah mudah. Para peneliti mengelolanya dengan terlebih dahulu memotong pita dari potongan graphene yang lebih besar menggunakan proses berbasis mikroskop kekuatan atom (AFM). Selanjutnya, mereka membuat “slider” terpisah dari potongan grafit berlapis-lapis yang terdiri dari cakram bundar yang dibuat dengan pegangan di tepi luar. Penggeser ini kemudian diposisikan pada salah satu ujung pita dan didorong melewatinya menggunakan ujung ujung AFM. “Penggeser dapat dikontrol dengan ujung AFM dan dilepas setelah pita dibengkokkan,” jelas Dean.

Fitur utama dari proses ini adalah gesekan antar muka pita graphene relatif rendah ketika ditempatkan pada hBN, yang berarti dapat ditekuk di bawah beban, namun cukup tinggi untuk memungkinkan pita mempertahankan bentuk bengkoknya ketika beban dilepaskan.

Sejauh mana pita akan tertekuk tergantung pada panjang dan lebar pita dan seberapa besar gaya yang diterapkan pada ujungnya oleh ujung AFM. Para peneliti menemukan bahwa pita yang panjang dan sempit (yaitu pita dengan rasio aspek besar) paling mudah ditekuk dengan cara yang terkendali.

“Akses yang belum pernah terjadi sebelumnya ke diagram fase sudut bengkok”

Kemampuan untuk terus menyesuaikan sudut regangan dan puntiran akan memberi para peneliti akses yang belum pernah terjadi sebelumnya terhadap “diagram fase” sudut puntir, kata Dean. Dunia Fisika. “Struktur pita elektronik dari lapisan ganda yang terpilin sangat sensitif terhadap sudut puntir, misalnya, 'sudut ajaib' didefinisikan hanya dengan sepersepuluh derajat 1.1°. Pemutaran yang lambat dan terkendali berarti kita dapat memetakan ketergantungan ini dalam satu perangkat ke tingkat presisi yang sebelumnya tidak mungkin dilakukan.”

Dan bukan itu saja: karena peran regangan pada sistem graphene bilayer sudut ajaib hampir sepenuhnya tidak diketahui secara eksperimental, teknik baru ini memberikan peluang pertama untuk mengukurnya dengan cara yang dapat direproduksi. “Secara teknis, gagasan bahwa memperkenalkan gradien regangan dapat membantu menekan variasi sudut puntir acak merupakan kejutan yang tidak terduga bagi kami,” kata Dean. “Hal ini membuka ide-ide menarik tentang bagaimana memadukan rekayasa regangan dan variasi sudut yang dikontrol secara spasial untuk mendapatkan kontrol lebih lanjut atas struktur pita elektronik dalam sistem lapisan terpelintir.”

Tim Columbia sekarang memetakan diagram fase sudut regangan di sekitar rentang sudut ajaib dalam graphene bilayer terpelintir menggunakan kombinasi spektroskopi transport dan scan-probe. Para peneliti juga menjajaki apakah mereka dapat menerapkan teknik ini pada sistem material 2D lainnya. Dalam semikonduktor, misalnya, pembengkokan dapat memandu dan menyalurkan rangsangan (pasangan lubang elektron), sedangkan dalam sistem 2D magnetik, pembengkokan dapat digunakan untuk menciptakan tekstur magnetik yang tidak biasa. “Akhirnya, kami mencari cara untuk mencapai pembengkokan melalui cara elektrostatik atau non-mekanis lainnya,” ungkap Dean. “Hal ini memungkinkan adanya kontrol dinamis in-situ terhadap sudut putaran dalam sistem bilayer.”

Stempel Waktu:

Lebih dari Dunia Fisika