סרטי גרפן מקדמים את הטוויסטרוניקה - עולם הפיזיקה

סרטים של גרפן, במקום ריבועים, יכולים להוות פלטפורמה טובה יותר לבדיקת ההשפעות האלקטרוניות יוצאות הדופן הנובעות מפיתול ומתח של שכבות סמוכות של חומרים דו-ממדיים (2D). זהו הממצא של מדענים בארה"ב, דנמרק, צרפת ויפן, שגישתם שונה באופן משמעותי ממחקרי "טוויסטרוניקה" קודמים שהתמקדו בפיתול שני פתיתי חומר זה ביחס לשני ואז בערימתם. לדברי הצוות, הטכניקה החדשה המבוססת על סרט יכולה לתת לחוקרים שליטה טובה יותר על זווית הפיתול, מה שהופך את האפקטים האלקטרוניים לקלים יותר ללימוד.

בשנים האחרונות, חוקרים גילו שהם יכולים לשנות את התכונות האלקטרוניות של חומרים דו-ממדיים על ידי ערימת שכבות של חומרים אלו זו על גבי זו ושינוי הזווית ביניהן. לדוגמה, לשכבה דו-ממדית של גרפן אין בדרך כלל פער פס, אך היא מתפתחת אחת כאשר היא במגע עם חומר דו-ממדי אחר, בורון ניטריד משושה (hBN).

שינוי זה מתרחש מכיוון שקבוע הסריג של hBN - מדד לאופן שבו האטומים שלו מסודרים - כמעט זהה לזה של גרפן, אבל לא לגמרי. השכבות המתואמות מעט של גרפן ו-hBN יוצרות מבנה גדול יותר המכונה סריג-על של מוריה, והאינטראקציות בין אטומים סמוכים בסריג-על זה מאפשרות להיווצר פער פס. אם השכבות מעוותות כך שהן עוד יותר לא מיושרות והזווית ביניהן הופכת גדולה, פער הרצועות נעלם. באופן דומה, ניתן לכוונן את הגרפן בפני עצמו מחצי מתכתי למוליך למחצה ואפילו מוליך-על בהתאם לזווית בין שכבות הגרפן הבודדות.

כדי להשיג מגוון זה של תכונות אלקטרוניות בחומרים קונבנציונליים, מדענים צריכים בדרך כלל לשנות את ההרכב הכימי שלהם על ידי החדרת חומרים דומים, או זיהומים מכוונים. היכולת לעשות זאת בחומר דו-ממדי פשוט על ידי שינוי זווית הפיתול בין שכבות היא לכן כיוון חדש ביסודו בהנדסת מכשירים, וזוכה לכינוי "טוויסטרוניקה".

הבעיה היא שקשה לשלוט בזוויות הפיתול והמתח הנלווה, כלומר לאזורים שונים בדגימה עשויים להיות מאפיינים אלקטרוניים שונים באופן לא נוח. בעבודה האחרונה צוות בראשות קורי דין of קולומביה בארה"ב התגברו על בעיה זו על ידי הנחת שכבת גרפן בצורת סרט (ולא פתית מרובע כפי שקורה בדרך כלל) על גבי שכבת hBN וכיפוף איטי של קצה אחד של הסרט באמצעות מיקרוסקופ כוח פיזו-אטומי. למבנה המתקבל יש זווית פיתול המשתנה ברציפות מהנקודה שבה הסרט מתחיל להתכופף עד לקצהו. ובמקום וריאציות בלתי מבוקרות במתח, למדגם יש כעת פרופיל מתח אחיד שניתן לחזות אותו במלואו על ידי צורת הגבול של הסרט הכפוף.

שמירה על שיפועי זווית ומתח

בניסויים שלהם, המפורטים ב מדע, דין ועמיתיו כופפו את אחת משכבות הגרפן לצורה הדומה לקשת חצי עגולה. ואז הם הניחו את השכבה הזו על גבי שכבה שנייה, לא כפופה. "כאשר אנו מציבים יחד בצורה זו אנו מציגים בכוונה שיפוע זווית לאורך הקשת, ושיפוע מתיחה על פני הקשת", מסביר דין. "אנו מוצאים שבמקום לאפשר תנודות אקראיות בזווית הפיתול או המתיחה המקומית, שתי השכבות המשולבות שומרות על שיפוע הזווית והמתח שאנו מקנים במהלך תהליך הכיפוף."

עם זאת, כיפוף סרט הגרפן אינו קל. החוקרים הצליחו בכך על ידי חיתוך סרט מחתיכת גרפן גדולה יותר באמצעות תהליך מבוסס מיקרוסקופיה של כוח אטומי (AFM). לאחר מכן, הם ייצרו "סליידר" נפרד מחתיכת גרפיט רב-שכבתית בתפזורת המורכבת מדיסק עגול שיוצר עם ידיות על השפה החיצונית. המחוון הזה הונח על קצה אחד של הסרט ונדחק לרוחבו באמצעות קצה קצה AFM. "ניתן לשלוט על המחוון על ידי קצה AFM ולהסיר אותו לאחר שהסרט כופף לצורה", מסביר דין.

תכונה מרכזית של תהליך זה היא שחיכוך הממשק של סרט הגרפן נמוך יחסית כאשר הוא מונח על hBN, כלומר ניתן לכופף אותו תחת עומס, אך גבוה מספיק כדי לאפשר לסרט להחזיק את צורתו הכפופה כאשר העומס משוחרר.

המידה שבה הסרט יתכופף תלויה באורך וברוחב הסרט ובכמה כוח מופעל על קצהו על ידי קצה AFM. החוקרים גילו שסרטים ארוכים וצרים (כלומר סרטים בעלי יחס רוחב-גובה גדול) הם הקלים ביותר לכיפוף בצורה מבוקרת.

"גישה חסרת תקדים לתרשים השלב של הזווית המעוותת"

היכולת לכוון ברציפות הן את המתח והן את זווית הפיתול תעניק לחוקרים גישה חסרת תקדים ל"דיאגרמת השלבים" של זוויות מפותלות, אומר דין עולם הפיזיקה. "מבנה הלהקה האלקטרונית של דו-שכבה מעוותת רגיש ביותר לזווית הפיתול, כאשר, למשל, 'זווית הקסם' מוגדרת רק בעשירית ממעלה של 1.1°. פיתול איטי וניתן לשליטה פירושו שנוכל למפות את התלות הזו במכשיר בודד לדיוק שלא היה אפשרי קודם לכן".

הפיכת ננו-סרטי גרפן ליציבים

וזה לא הכל: מכיוון שתפקיד המתח על מערכות הגרפן הדו-שכבתיות של זווית הקסם אינו ידוע כמעט לחלוטין מבחינה ניסויית, הטכניקה החדשה מספקת את ההזדמנות הראשונה למדוד אותה באופן שניתן לשחזר. "מבחינה טכנית, הרעיון שהכנסת שיפוע מתח יכולה לעזור לדכא וריאציות אקראיות של זווית פיתול הייתה הפתעה בלתי צפויה עבורנו", אומר דין. "זה פותח רעיונות מעניינים כיצד לשחק הדדית בהנדסת מתח ובווריאציות זווית מבוקרת מרחבית כדי להשיג שליטה נוספת על מבנה הלהקה האלקטרונית במערכות שכבות מעוותות."

צוות קולומביה ממפה כעת את דיאגרמת הפאזה של זווית המתיחה סביב טווח זווית הקסם בגרפן דו-שכבתי מעוות באמצעות שילוב של ספקטרוסקופיה של הובלה וסריקה. החוקרים גם בוחנים אם הם יכולים ליישם את הטכניקה על מערכות חומרים דו-ממדיים אחרים. במוליכים למחצה, למשל, כיפוף יכול להנחות ולנתב אקסיטונים (זוגות אלקטרונים-חורים), בעוד שבמערכות דו-ממדיות מגנטיות, הוא עשוי לשמש ליצירת מרקמים מגנטיים יוצאי דופן. "לבסוף, אנו בוחנים דרכים להשיג כיפוף באמצעות אמצעים אלקטרוסטטיים או אחרים שאינם מכניים", מגלה דין. "אלה יכולים לאפשר שליטה דינמית במקום על זווית הפיתול במערכות דו-שכבתיות."

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• PlatoESG. פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
• PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
• BlockOffsets. מודרניזציה של בעלות על קיזוז סביבתי. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/graphene-ribbons-advance-twistronics/