グラフェンリボンがツイストロニクスを前進させる – Physics World

正方形ではなくグラフェンのリボンは、隣接する二次元 (2D) 材料の層をねじったりひずませたりすることで生じる異常な電子効果を調査するためのより良いプラットフォームとなる可能性があります。 これは米国、デンマーク、フランス、日本の科学者の発見であり、そのアプローチは、XNUMX つの材料の薄片を互いにねじって積み重ねることに焦点を当てたこれまでの「ツイトロニクス」研究とは大きく異なります。 研究チームによると、新しいリボンベースの技術により、研究者はねじれ角をより適切に制御できるようになり、電子効果の研究が容易になるという。

近年、研究者らは、2D 材料の層を相互に積層し、それらの間の角度を変えることで、2D 材料の電子特性を変更できることを発見しました。 たとえば、グラフェンの二重層には通常バンドギャップがありませんが、別の XNUMXD 材料である六方晶窒化ホウ素 (hBN) と接触するとバンドギャップが生じます。

この変化は、hBN の格子定数 (原子の配置の尺度) がグラフェンの格子定数とほぼ同じですが、完全ではないために発生します。 グラフェンと hBN のわずかに不整合な層は、モアレ超格子として知られるより大きな構造を形成し、この超格子内の隣接する原子間の相互作用によりバンドギャップが形成されます。 さらに層をねじって配列をずらし、層間の角度が大きくなると、バンドギャップは消失します。 同様に、グラフェン自体も、個々のグラフェン層間の角度に応じて、半金属から半導体、さらには超伝導まで調整できます。

従来の材料でこのようなさまざまな電子特性を実現するには、通常、科学者はドーパントまたは意図的な不純物を導入して化学組成を変更する必要があります。 したがって、層間のねじれ角を変更するだけでこれを 2D 材料で実行できることは、デバイス工学における根本的に新しい方向性であり、「ツイトロニクス」と呼ばれています。

問題は、ねじれ角とそれに伴うひずみの制御が難しいことであり、これは、サンプルの異なる領域が不都合なことに異なる電子特性を有する可能性があることを意味します。 最新作では、 コーリーディーン of コロンビア大学 米国では、リボン状のグラフェン層（通常の場合のように四角いフレークではなく）をhBN層の上に配置し、圧電原子間力顕微鏡を使用してリボンの一端をゆっくりと曲げることで、この問題を克服しました。 結果として得られる構造は、リボンが曲がり始めた点から終端まで連続的に変化するねじれ角度を持ちます。 また、歪みの制御されていない変動の代わりに、サンプルは、曲がったリボンの境界形状によって完全に予測できる均一な歪みプロファイルを持ちます。

角度とひずみ勾配の維持

彼らの実験では、以下で詳しく説明されています。 科学, ディーンらはグラフェン層のXNUMXつを半円アーチに似た形状に曲げた。 次に、この層を曲げられていない XNUMX 番目の層の上に配置しました。 「このように配置すると、円弧に沿った角度勾配と円弧全体にわたるひずみ勾配を意図的に導入します」とディーン氏は説明します。 「局所的なねじれ角度やひずみのランダムな変動を許容するのではなく、結合された XNUMX つの層が曲げプロセス中に与える角度とひずみの勾配を維持することがわかりました。」

ただし、グラフェンリボンを曲げるのは簡単ではありません。 研究者らは、まず原子間力顕微鏡 (AFM) ベースのプロセスを使用して、大きなグラフェン片からリボンを切断することでこれを管理しました。 次に、彼らは、外側のリムにハンドルを備えた丸いディスクからなる多層グラファイトのバルク片から別個の「スライダー」を製作しました。 次に、このスライダーをリボンの一端に配置し、AFM チップの端を使用してリボンを横切って押しました。 「スライダーは AFM チップで制御でき、リボンを曲げて形を整えた後にスライダーを取り外すことができます」とディーン氏は説明します。

このプロセスの重要な特徴は、グラフェン リボンの界面摩擦が hBN 上に置かれた場合に比較的低いことです。つまり、負荷がかかっても曲げることができますが、負荷が解放されたときにリボンが曲がった形状を維持できるほど十分に高いことを意味します。

リボンがどの程度曲がるかは、リボンの長さと幅、および AFM チップによってリボンの端に加えられる力の大きさによって決まります。 研究者らは、長くて細いリボン (つまり、アスペクト比が大きいリボン) が、制御された方法で曲げるのが最も簡単であることを発見しました。

「ねじれ角位相図への前例のないアクセス」

ひずみとねじれ角の両方を継続的に調整できるため、研究者はねじれ角の「状態図」にこれまでにないアクセスが可能になるとディーン氏は語ります。 物理学の世界。 「ねじれた二重層の電子バンド構造はねじれ角に非常に敏感で、たとえば「魔法の角度」は 1.1° の XNUMX 分の XNUMX 度でしか定義されません。 ゆっくりと制御可能なツイストは、単一のデバイスでこの依存性を以前は不可能だった精度でマッピングできることを意味します。」

グラフェンナノリボンを安定させる

それだけではありません。マジック アングル二層グラフェン システムに対するひずみの役割は実験的にはほとんどまったくわかっていないため、新しい技術は再現可能な方法でひずみを測定する最初の機会を提供します。 「技術的には、ひずみ勾配を導入することでランダムなねじれ角度の変動を抑制できるという考えは、私たちにとって予想外の驚きでした」とディーン氏は言います。 「これにより、ひずみ工学と空間的に制御された角度の変化を相互作用させて、ねじれ層システムの電子バンド構造をさらに制御する方法について興味深いアイデアが生まれました。」

コロンビアのチームは現在、輸送分光法とスキャンプローブ分光法を組み合わせて、ねじれ二層グラフェンのマジックアングル範囲の周りにひずみ角の状態図をマッピングしています。 研究者らは、この技術を他の 2D マテリアル システムに適用できるかどうかも検討しています。 たとえば、半導体では、曲げによって励起子 (電子と正孔のペア) が誘導され、集中する可能性がありますが、磁気 2D システムでは、異常な磁気テクスチャを作成するために使用される可能性があります。 「最終的に、私たちは静電気やその他の非機械的手段によって曲げを実現する方法を模索しています」とディーン氏は明かします。 「これらにより、二層システムにおけるねじれ角のその場での動的制御が可能になる可能性があります。」

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• 情報源： https://physicsworld.com/a/graphene-ribbons-advance-twistronics/