זוויות טוויסט מקומיות בגרפן באות לידי ביטוי

הועלה מחדש על ידי אפלטון

עוקב: 0

תרשים סכמטי של האופן שבו השיטה מדמיינת ישירות את הווריאציות בזוויות הפיתול המקומיות בחומרים דו-ממדיים מעוותים — טוויסט שונה: תרשים סכמטי המראה כיצד השיטה מדמיינת ישירות את הווריאציות בזוויות הפיתול המקומיות בחומרים דו-ממדיים מעוותים. הטכניקה החדשה חשפה שינויים מובהקים בזוויות הפיתול המקומיות בגרפן דו-שכבתי מעוות. (באדיבות: S Zhu)

הערמת שכבות של חומרים דו מימדיים זו על גבי זו ושינוי זווית הפיתול ביניהן משנה באופן מסיבי את התכונות האלקטרוניות שלהן. החוכמה היא לקבל את זווית הפיתול הנכונה, ולדעת מתי עשית זאת. חוקרים בסין פיתחו כעת טכניקה המסייעת בחלק השני של האתגר הזה. על ידי מתן אפשרות למדענים לדמיין ישירות את הווריאציות בזוויות הפיתול המקומיות, הטכניקה החדשה שופכת אור על המבנה האלקטרוני של חומרים מעוותים ומאיצה את הפיתוח של מכשירים המנצלים את תכונותיהם.

לגרפן (צורה דו-ממדית של פחמן בעובי אטום אחד בלבד) אין פער פס אלקטרוני. גם לא זוג שכבות גרפן הנערמות זו על גבי זו. עם זאת, אם אתה מוסיף חומר דו-ממדי נוסף הנקרא בורון ניטריד משושה (hBN) לערימה, נוצר פער פס. הסיבה לכך היא שקבוע הסריג של hBN - מדד לאופן שבו מסודרים האטומים שלו - כמעט זהה לזה של גרפן, אבל לא בדיוק. השכבות המעט לא תואמות של גרפן ו-hBN יוצרות מבנה גדול יותר המכונה סריג-על של מוריה, והאינטראקציות בין אטומים סמוכים בסריג-על זה מאפשרים להיווצר פער. אם השכבות מעוותות כך שהן מיושרות עוד יותר, אינטראקציות הסריג נחלשות, ופער הרצועה נעלם.

השגת שינויים כאלה בחומרים קונבנציונליים מצריכה בדרך כלל מדענים לשנות את ההרכב הכימי של החומרים. שינוי זווית הפיתול בין שכבות של חומר דו-ממדי היא גישה שונה לחלוטין, והאפשרויות הנלוות הקימו תחום חדש של הנדסת מכשירים המכונה twistroonics. הבעיה היא שקשה לשלוט על זוויות פיתול, ואם אזורים שונים של דגימה מכילים זוויות מפותלות לא שווה, המאפיינים האלקטרוניים של הדגימה ישתנו ממיקום למיקום. זה רחוק מלהיות אידיאלי עבור מכשירים בעלי ביצועים גבוהים, ולכן חוקרים בחנו דרכים להמחיש חוסר הומוגניות כאלה בצורה מדויקת יותר.

שיטה חדשה המבוססת על sMIM

בעבודה החדשה צוות בראשות הונג-ג'ון גאו ו שיו ג'ו של המכון לפיזיקה, האקדמיה הסינית למדעים, התאימה שיטה בשם סריקה מיקרוגל עכבת מיקרוסקופיה (sMIM) שפותחה לאחרונה על ידי Zhixun Shen ועמיתים ב אוניברסיטת סטנפורד בארצות הברית. השיטה המותאמת כוללת הפעלת מגוון מתחי שער על המדגם וניתוח תנודות מוליכות בנתוני ה-sMIM במיקומים שונים בה. "תהליך זה מספק את מתחי השער התואמים לפערים של רצועת המוארה, המעידים על רצועות אלקטרוניות מלאות במלואן, חושף ישירות פרטים על סריג העל של המואר וזוויות הפיתול המקומיות", מסביר ג'ו.

כאשר החוקרים בדקו את השיטה הזו על דגימות איכותיות של גרפן דו-שכבתי מעוות שיוצרו על ידי עמיתיהם Qianying Hu, Yang Xu ו- Jiawei Hu, הם הצליחו לזהות וריאציות של זוויות פיתול ישירות. הם גם אספו מידע על המוליכות של אזורים מקומיים, והם אפיינו מצבים אלקטרוניים אחרים כגון מצבי הול קוונטיים ומבודדי צ'רן על ידי הפעלת שדות מגנטיים מחוץ למישור. "עשינו את המדידות האלה במקביל", מציין ג'ו. "זה איפשר לנו לקבל ישירות מידע על מצב קוונטי בתנאים שונים של זווית פיתול מקומית."

הטכניקה החדשה חשפה שינויים מובהקים בזוויות הפיתול המקומיות של כ-0.3 מעלות על פני מרחקים של מספר מיקרונים, הוא מוסיף. זה גם אפשר לצוות למדוד מוליכות מקומית, מה שלא אפשרי בשיטות חלופיות המשתמשות בטרנזיסטורים של אלקטרונים בודדים למדידת דחיסה או ננו-SQUIDs למדידת שדות מגנטיים. יתרה מכך, עבור דגימות של גרפן דו-שכבתי מעוות המכוסות בשכבת BN מבודדת, לשיטה החדשה יש יתרון משמעותי על פני מיקרוסקופ מנהור סריקה קונבנציונלי, שכן היא יכולה לחדור לשכבת הבידוד.

חקר מצבים קוונטיים חדשים

"העבודה שלנו חשפה את שונות זווית הפיתול המקומית בתוך ובין תחומים של חומר דו-ממדי מעוות", אומר ג'ו עולם הפיזיקה. "זה העמיק את ההבנה שלנו לגבי המצב המיקרוסקופי של המדגם, ומאפשר לנו להסביר תופעות ניסויות רבות שנצפו בעבר במדידות 'ממוצע בכמות גדולה'. זה גם מספק דרך לחקור מצבים קוונטיים חדשים שקשה לצפות בהם באופן מקרוסקופי, ומציע תובנות מנקודת מבט מיקרוסקופית."

סרטי גרפן מקדמים טוויסטרוניקה

הודות למדידות הללו, חוסר האחידות של זוויות הפיתול המקומיות בחומרים דו-ממדיים מעוותים כבר לא אמורה להוות מכשול לחקר מצבים קוונטיים חדשים, הוא מוסיף. "במקום זאת, הודות להתפלגות העשירה של זוויות פיתול מקומיות שצפינו, כעת אמור להיות אפשרי להשוות בו-זמנית מצבים קוונטיים שונים בתנאים מרובים של זווית פיתול מקומית ותנאי מבנה הרצועה במדגם בודד."

החוקרים שואפים כעת להרחיב את הטכניקה שלהם למגוון רחב יותר של מערכות מעוותות ומערכות מואר הטרו-מבנה - למשל, בחומרים כמו MoTe דו-שכבתי מעוות₂ ו- WSe₂/ WS₂. הם גם רוצים לבצע מדידות של ממוצע בכמות גדולה ולהשוות את התוצאות הללו למדידות מקומיות בשיטה החדשה שלהם.