Grafeenlinten bevorderen twistronics – Physics World

Grafeenlinten bevorderen twistronics – Physics World

Tijdstempel: 19 september 2023 4:27 uur

Een gebogen grafeenlint, grijs weergegeven, plat tegen een ander grafeenvel gelegd. De lintlaag is gebogen in een vorm die lijkt op een halfronde boog
Op de curve: een gebogen grafeenlint, grijs weergegeven, plat tegen een ander grafeenvel gelegd. Er is een voortdurende verandering in de draaihoek tussen het lint erboven en het vel eronder. Op sommige plaatsen liggen de atoomroosters van de twee platen in een hoek van 0° ten opzichte van elkaar, terwijl ze op andere plaatsen wel 5° ten opzichte van elkaar zijn gedraaid. (Met dank aan: Cory Dean, Columbia University)

Linten van grafeen, in plaats van vierkanten, zouden een beter platform kunnen vormen voor het onderzoeken van de ongebruikelijke elektronische effecten die voortkomen uit het draaien en uitrekken van aangrenzende lagen van tweedimensionale (2D) materialen. Dit is de bevinding van wetenschappers in de VS, Denemarken, Frankrijk en Japan, wier aanpak aanzienlijk verschilt van eerdere ‘twistronics’-onderzoeken die zich concentreerden op het ten opzichte van elkaar draaien van twee vlokken materiaal en ze vervolgens op elkaar te stapelen. Volgens het team zou de nieuwe, op linten gebaseerde techniek onderzoekers een betere controle over de draaihoek kunnen geven, waardoor de elektronische effecten gemakkelijker te bestuderen zijn.

De afgelopen jaren hebben onderzoekers ontdekt dat ze de elektronische eigenschappen van 2D-materialen kunnen veranderen door lagen van deze materialen op elkaar te stapelen en de hoek daartussen te variëren. Een dubbellaag van grafeen heeft bijvoorbeeld normaal gesproken geen bandafstand, maar ontwikkelt er een wanneer deze in contact wordt gebracht met een ander 2D-materiaal, hexagonaal boornitride (hBN).

Deze verandering vindt plaats omdat de roosterconstante van hBN – een maatstaf voor hoe de atomen zijn gerangschikt – bijna hetzelfde is als die van grafeen, maar niet helemaal. De enigszins niet-overeenkomende lagen grafeen en hBN vormen een grotere structuur die bekend staat als een moiré-superrooster, en de interacties tussen nabijgelegen atomen in dit superrooster zorgen ervoor dat er een bandafstand ontstaat. Als de lagen vervolgens zodanig worden gedraaid dat ze nog verder uitgelijnd raken en de hoek ertussen groot wordt, verdwijnt de bandafstand. Op dezelfde manier kan grafeen op zichzelf worden afgestemd van semi-metaalachtig naar halfgeleidend en zelfs supergeleidend, afhankelijk van de hoek tussen de afzonderlijke grafeenlagen.

Om deze verscheidenheid aan elektronische eigenschappen in conventionele materialen te bereiken, moeten wetenschappers normaal gesproken hun chemische samenstelling veranderen door doteermiddelen of opzettelijke onzuiverheden te introduceren. De mogelijkheid om dit in een 2D-materiaal te doen door simpelweg de draaihoek tussen lagen te veranderen, is daarom een ​​fundamenteel nieuwe richting in de apparaattechniek, en wordt ook wel ‘twistronics’ genoemd.

Het probleem is dat de draaihoeken en de daarmee gepaard gaande spanning moeilijk te controleren zijn, wat betekent dat verschillende delen van een monster ongemakkelijk verschillende elektronische eigenschappen kunnen hebben. In het nieuwste werk, een team onder leiding van Cory Dean of Columbia University in de VS overwon dit probleem door een lintvormige grafeenlaag (in plaats van een vierkante vlok zoals gewoonlijk het geval is) bovenop een laag hBN te plaatsen en het ene uiteinde van het lint langzaam te buigen met behulp van een piëzo-atomaire krachtmicroscoop. De resulterende structuur heeft een draaihoek die continu varieert vanaf het punt waarop het lint begint te buigen tot aan het uiteinde. En in plaats van ongecontroleerde variaties in spanning heeft het monster nu een uniform spanningsprofiel dat volledig kan worden voorspeld door de grensvorm van het gebogen lint.

Handhaving van hoek- en spanningsgradiënten

In hun experimenten, die gedetailleerd worden beschreven in Wetenschapbogen Dean en collega's een van de grafeenlagen in een vorm die lijkt op een halfronde boog. Vervolgens plaatsten ze deze laag op een tweede, ongebogen laag. “Als we ze op deze manier bij elkaar plaatsen, introduceren we opzettelijk een hoekgradiënt langs de boog en een spanningsgradiënt over de boog”, legt Dean uit. "We ontdekken dat in plaats van willekeurige fluctuaties in de lokale draaihoek of rek toe te staan, de gecombineerde twee lagen de hoek- en rekgradiënten behouden die we tijdens het buigproces veroorzaken."

Het buigen van het grafeenlint is echter niet eenvoudig. De onderzoekers slaagden daarin door eerst een lint uit een groter stuk grafeen te snijden met behulp van een op atomaire krachtmicroscopie (AFM) gebaseerd proces. Vervolgens vervaardigden ze een afzonderlijke ‘slider’ uit een meerlaags, bulkstuk grafiet, bestaande uit een ronde schijf met handvatten aan de buitenrand. Deze schuif werd vervolgens op het ene uiteinde van het lint geplaatst en eroverheen geduwd met behulp van het uiteinde van een AFM-punt. “De schuifregelaar kan worden bediend door de AFM-tip en kan worden verwijderd nadat het lint in vorm is gebogen”, legt Dean uit.

Een belangrijk kenmerk van dit proces is dat de grensvlakwrijving van het grafeenlint relatief laag is wanneer het op hBN wordt geplaatst, wat betekent dat het onder belasting kan worden gebogen, maar toch hoog genoeg is om het lint zijn gebogen vorm te laten behouden wanneer de belasting wordt opgeheven.

De mate waarin het lint zal buigen, hangt af van de lengte en breedte van het lint en hoeveel kracht er door de AFM-punt op het uiteinde ervan wordt uitgeoefend. De onderzoekers ontdekten dat lange, smalle linten (dat wil zeggen linten met een grote aspectverhouding) het gemakkelijkst op een gecontroleerde manier te buigen zijn.

“Ongekende toegang tot het fasediagram met gedraaide hoek”

Doordat ze zowel de rek- als de draaihoek continu kunnen afstemmen, krijgen onderzoekers ongekende toegang tot het ‘fasediagram’ van gedraaide hoeken, vertelt Dean. Natuurkunde wereld. “De elektronische bandstructuur van een gedraaide dubbellaag is extreem gevoelig voor de draaihoek, waarbij bijvoorbeeld de 'magische hoek' wordt gedefinieerd met slechts een tiende van een graad van 1.1°. Langzaam en controleerbaar draaien betekent dat we deze afhankelijkheid in één enkel apparaat in kaart kunnen brengen met een nauwkeurigheid die voorheen niet mogelijk was.”

En dat is nog niet alles: aangezien de rol van spanning op dubbellaagse grafeensystemen met een magische hoek experimenteel vrijwel volledig onbekend is, biedt de nieuwe techniek de eerste mogelijkheid om deze op een reproduceerbare manier te meten. “Technisch gezien was het idee dat het introduceren van een spanningsgradiënt kon helpen willekeurige variaties in de draaihoek te onderdrukken een onverwachte verrassing voor ons”, zegt Dean. "Dit opent interessante ideeën over hoe spanningstechniek en ruimtelijk gecontroleerde hoekvariaties met elkaar kunnen worden gecombineerd om meer controle te krijgen over de elektronische bandstructuur in gedraaide laagsystemen."

Het Columbia-team brengt nu het spanningshoek-fasediagram rond het magische hoekbereik in gedraaid dubbellaags grafeen in kaart met behulp van een combinatie van transport- en scan-probe-spectroscopie. De onderzoekers onderzoeken ook of ze de techniek kunnen toepassen op andere 2D-materiaalsystemen. In halfgeleiders kan buigen bijvoorbeeld excitonen (elektron-gatparen) geleiden en geleiden, terwijl het in magnetische 2D-systemen kan worden gebruikt om ongebruikelijke magnetische texturen te creëren. “Tenslotte onderzoeken we manieren om buiging te realiseren door middel van elektrostatische of andere niet-mechanische middelen”, onthult Dean. "Deze zouden in-situ dynamische controle van de draaihoek in dubbellaagse systemen mogelijk kunnen maken."

Tijdstempel:

Meer van Natuurkunde wereld