I nastri di grafene fanno avanzare la twisttronica – Physics World

I nastri di grafene fanno avanzare la twisttronica – Physics World

Timestamp: 19 settembre 2023 4:27

Un nastro di grafene curvo, illustrato in grigio, mostrato appoggiato su un altro foglio di grafene. Lo strato di nastro è piegato in una forma che ricorda un arco semicircolare
Sulla curva: un nastro di grafene curvo, illustrato in grigio, mostrato appoggiato su un altro foglio di grafene. C'è un cambiamento continuo nell'angolo di torsione tra il nastro sopra e il foglio sotto. In alcuni punti i reticoli atomici dei due fogli si allineano tra loro con un angolo di 0°, mentre in altri sono ruotati l'uno rispetto all'altro fino a 5°. (Per gentile concessione: Cory Dean, Columbia University)

Nastri di grafene, piuttosto che quadrati, potrebbero costituire una piattaforma migliore per sondare gli insoliti effetti elettronici che derivano dalla torsione e dalla tensione di strati adiacenti di materiali bidimensionali (2D). Questa è la scoperta di scienziati negli Stati Uniti, Danimarca, Francia e Giappone, il cui approccio differisce significativamente dai precedenti studi “twistronics” che si concentravano sulla torsione di due fiocchi di materiale l’uno rispetto all’altro e poi sull’impilarli. Secondo il team, la nuova tecnica basata sul nastro potrebbe offrire ai ricercatori un migliore controllo sull'angolo di torsione, rendendo gli effetti elettronici più facili da studiare.

Negli ultimi anni, i ricercatori hanno scoperto che è possibile modificare le proprietà elettroniche dei materiali 2D impilando strati di questi materiali uno sopra l’altro e variando l’angolo tra di loro. Ad esempio, un doppio strato di grafene normalmente non ha un band gap, ma ne sviluppa uno quando viene messo in contatto con un altro materiale 2D, il nitruro di boro esagonale (hBN).

Questo cambiamento si verifica perché la costante reticolare dell’hBN – una misura di come sono disposti i suoi atomi – è quasi la stessa di quella del grafene, ma non del tutto. Gli strati leggermente non corrispondenti di grafene e hBN formano una struttura più grande nota come superreticolo moiré e le interazioni tra gli atomi vicini in questo superreticolo consentono la formazione di un gap di banda. Se gli strati vengono poi attorcigliati in modo da risultare ulteriormente disallineati e l'angolo tra loro diventa ampio, il gap di banda scompare. Allo stesso modo, il grafene da solo può essere trasformato da semimetallico a semiconduttore e persino superconduttore a seconda dell’angolo tra i singoli strati di grafene.

Per ottenere questa varietà di proprietà elettroniche nei materiali convenzionali, gli scienziati normalmente devono modificarne la composizione chimica introducendo droganti o impurità intenzionali. Essere in grado di farlo in un materiale 2D semplicemente alterando l’angolo di torsione tra gli strati è quindi una direzione fondamentalmente nuova nell’ingegneria dei dispositivi, ed è stata soprannominata “twistronics”.

Il problema è che gli angoli di torsione e la deformazione associata sono difficili da controllare, il che significa che aree diverse di un campione possono avere proprietà elettroniche scomodamente diverse. Nell'ultimo lavoro, un team guidato da Cory Dean of Columbia University negli Stati Uniti hanno superato questo problema posizionando uno strato di grafene a forma di nastro (piuttosto che una scaglia quadrata come di solito accade) sopra uno strato di hBN e piegando lentamente un'estremità del nastro utilizzando un microscopio a forza piezo-atomica. La struttura risultante ha un angolo di torsione che varia continuamente dal punto in cui il nastro inizia a piegarsi fino alla fine. E invece di variazioni incontrollate nella deformazione, il campione ora ha un profilo di deformazione uniforme che può essere completamente previsto dalla forma del confine del nastro piegato.

Mantenimento dei gradienti di angolo e deformazione

Nei loro esperimenti, che sono dettagliati in Scienze, Dean e colleghi hanno piegato uno degli strati di grafene in una forma che ricorda un arco semicircolare. Quindi hanno posizionato questo strato sopra un secondo strato non piegato. "Quando messi insieme in questo modo introduciamo intenzionalmente un gradiente angolare lungo l'arco e un gradiente di deformazione attraverso l'arco", spiega Dean. "Abbiamo scoperto che invece di consentire fluttuazioni casuali nell'angolo di torsione o deformazione locale, i due strati combinati mantengono l'angolo e i gradienti di deformazione che impartiamo durante il processo di piegatura."

Tuttavia, piegare il nastro di grafene non è facile. I ricercatori sono riusciti a farlo tagliando prima un nastro da un pezzo più grande di grafene utilizzando un processo basato sulla microscopia a forza atomica (AFM). Successivamente, hanno fabbricato un “cursore” separato da un pezzo di grafite multistrato costituito da un disco rotondo fabbricato con maniglie sul bordo esterno. Questo cursore è stato quindi posizionato su un'estremità del nastro e spinto su di esso utilizzando l'estremità di una punta AFM. "Il cursore può essere controllato dalla punta dell'AFM e rimosso dopo che il nastro è stato piegato nella sua forma", spiega Dean.

Una caratteristica chiave di questo processo è che l'attrito interfacciale del nastro di grafene è relativamente basso quando posizionato su hBN, il che significa che può essere piegato sotto carico, ma abbastanza alto da consentire al nastro di mantenere la sua forma piegata quando il carico viene rilasciato.

La misura in cui il nastro si piegherà dipende dalla sua lunghezza e larghezza e dalla forza applicata alla sua estremità dalla punta dell'AFM. I ricercatori hanno scoperto che i nastri lunghi e stretti (ovvero i nastri con proporzioni grandi) sono i più facili da piegare in modo controllato.

“Accesso senza precedenti al diagramma di fase ad angolo ritorto”

Essere in grado di regolare continuamente sia la deformazione che l'angolo di torsione darà ai ricercatori un accesso senza precedenti al "diagramma di fase" degli angoli di torsione, dice Dean Mondo della fisica. “La struttura della banda elettronica del doppio strato ritorto è estremamente sensibile all'angolo di torsione, ad esempio l'angolo magico viene definito con solo un decimo di grado di 1.1°. Una torsione lenta e controllabile significa che possiamo mappare questa dipendenza in un singolo dispositivo con una precisione che prima non era possibile”.

E non è tutto: poiché il ruolo della deformazione sui sistemi di grafene a doppio strato con angolo magico è quasi totalmente sconosciuto sperimentalmente, la nuova tecnica offre la prima opportunità di misurarlo in modo riproducibile. “Tecnicamente, l’idea che l’introduzione di un gradiente di deformazione potrebbe aiutare a sopprimere le variazioni casuali dell’angolo di torsione è stata per noi una sorpresa inaspettata”, afferma Dean. “Ciò apre idee interessanti su come interagire tra ingegneria della deformazione e variazioni angolari controllate spazialmente per ottenere un ulteriore controllo sulla struttura delle bande elettroniche nei sistemi a strati ritorti”.

Il team della Columbia sta ora mappando il diagramma di fase dell’angolo di deformazione attorno all’intervallo dell’angolo magico nel grafene a doppio strato ritorto utilizzando una combinazione di spettroscopia di trasporto e sonda di scansione. I ricercatori stanno anche esplorando se è possibile applicare la tecnica ad altri sistemi di materiali 2D. Nei semiconduttori, ad esempio, la flessione potrebbe guidare e incanalare gli eccitoni (coppie elettrone-lacuna), mentre nei sistemi magnetici 2D potrebbe essere utilizzata per creare trame magnetiche insolite. "Infine, stiamo esplorando modi per ottenere la piegatura tramite mezzi elettrostatici o altri mezzi non meccanici", rivela Dean. “Questi potrebbero consentire il controllo dinamico in situ dell’angolo di torsione nei sistemi a doppio strato”.

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