Lokale draaihoeken in grafeen komen in beeld – Physics World

Het op elkaar stapelen van lagen tweedimensionale materialen en het variëren van de draaihoek daartussen verandert hun elektronische eigenschappen enorm. De truc is om de draaihoek precies goed te krijgen en te weten wanneer je dat hebt gedaan. Onderzoekers in China hebben nu een techniek ontwikkeld die helpt bij het tweede deel van deze uitdaging. Door wetenschappers in staat te stellen de variaties in lokale draaihoeken direct te visualiseren, werpt de nieuwe techniek licht op de elektronische structuur van gedraaide materialen en versnelt het de ontwikkeling van apparaten die hun eigenschappen benutten.

Grafeen (een 2D-vorm van koolstof van slechts één atoom dik) heeft geen elektronische bandafstand. Dat geldt ook voor een paar grafeenlagen die op elkaar zijn gestapeld. Als je echter een ander 2D-materiaal, hexagonaal boornitride (hBN), aan de stapel toevoegt, ontstaat er een bandafstand. Dit komt omdat de roosterconstante van hBN – een maatstaf voor hoe de atomen zijn gerangschikt – bijna hetzelfde is als die van grafeen, maar niet precies. 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 opening ontstaat. Als de lagen vervolgens zo worden gedraaid dat ze nog meer verkeerd worden uitgelijnd, verzwakken de roosterinteracties en verdwijnt de bandafstand.

Om dergelijke veranderingen in conventionele materialen te bewerkstelligen, zijn wetenschappers doorgaans verplicht de chemische samenstelling van de materialen te veranderen. Het variëren van de draaihoek tussen lagen van een 2D-materiaal is een geheel andere benadering, en de bijbehorende mogelijkheden hebben een nieuw vakgebied in de apparaattechniek op gang gebracht, bekend als twistronics. Het probleem is dat verdraaiingshoeken moeilijk te controleren zijn, en als verschillende gebieden van een monster ongelijk verdeelde verdraaide hoeken bevatten, zullen de elektronische eigenschappen van het monster van locatie tot locatie variëren. Dit is verre van ideaal voor apparaten met hoge prestaties, dus hebben onderzoekers manieren onderzocht om dergelijke inhomogeniteiten nauwkeuriger in beeld te brengen.

Een nieuwe methode gebaseerd op sMIM

In het nieuwe werk, een team onder leiding van Hong-jun Gao en Shiyu Zhu van de Instituut voor Natuurkunde, Chinese Academie van Wetenschappen, heeft een methode aangepast genaamd scanning microgolfimpedantiemicroscopie (sMIM) die onlangs is ontwikkeld door Zhixun Shen en collega's bij Stanford University in de VS. De aangepaste methode omvat het toepassen van een reeks poortspanningen op het monster en het analyseren van geleidbaarheidsfluctuaties in de sMIM-gegevens op verschillende posities daarin. "Dit proces levert de poortspanningen op die overeenkomen met moiré-bandafstanden, die indicatief zijn voor volledig gevulde elektronische banden, waardoor direct details over het moiré-superrooster en lokale twisthoeken worden onthuld", legt Zhu uit.

Toen de onderzoekers deze methode testten op hoogwaardige monsters van gedraaid dubbellaags grafeen, vervaardigd door hun collega's Qianying Hu, Yang Xu en Jiawei Huwaren ze in staat om variaties in draaihoeken direct te detecteren. Ze verzamelden ook informatie over de geleidbaarheid van gelokaliseerde gebieden, en karakteriseerden andere elektronische toestanden zoals kwantum-Hall-toestanden en Tsjern-isolatoren door magnetische velden buiten het vlak toe te passen. “We hebben deze metingen gelijktijdig uitgevoerd”, merkt Zhu op. “Hierdoor konden we direct informatie over de kwantumtoestand verkrijgen onder verschillende lokale draaihoekomstandigheden.”

De nieuwe techniek onthulde uitgesproken variaties in de lokale draaihoeken van ongeveer 0.3° over afstanden van enkele microns, voegt hij eraan toe. Het stelde het team ook in staat de lokale geleidbaarheid te meten, wat niet mogelijk is met alternatieve methoden die transistors met één elektron gebruiken om de samendrukbaarheid te meten of nanoSQUID's om magnetische velden te meten. Bovendien heeft de nieuwe methode voor monsters van gedraaid dubbellaags grafeen bedekt door een isolerende BN-laag een aanzienlijk voordeel ten opzichte van conventionele scanning-tunnelingmicroscopie, omdat deze de isolerende laag kan binnendringen.

Onderzoek naar nieuwe kwantumtoestanden

“Ons werk heeft de lokale variatie in de draaihoek binnen en tussen domeinen van een gedraaid tweedimensionaal materiaal onthuld”, vertelt Zhu Natuurkunde wereld. “Dit heeft ons begrip van de microscopische toestand van het monster verdiept, waardoor we veel experimentele verschijnselen kunnen verklaren die eerder zijn waargenomen bij ‘bulk-averaging’-metingen. Het biedt ook een manier om nieuwe kwantumtoestanden te verkennen die moeilijk macroscopisch waar te nemen zijn, en biedt inzichten vanuit een microscopisch perspectief.”

Dankzij deze metingen zou de oneffenheid van lokale draaihoeken in gedraaide tweedimensionale materialen niet langer een belemmering moeten zijn voor de studie van nieuwe kwantumtoestanden, voegt hij eraan toe. "In plaats daarvan zou het nu, dankzij de rijke verdeling van lokale twisthoeken die we hebben waargenomen, mogelijk moeten zijn om tegelijkertijd verschillende kwantumtoestanden onder meerdere lokale twisthoekomstandigheden en bandstructuuromstandigheden in één monster te vergelijken."

De onderzoekers willen hun techniek nu uitbreiden naar een breder scala aan gedraaide systemen en heterostructuur moiré-systemen – bijvoorbeeld in materialen zoals gedraaide dubbellaagse MoTe₂ en WSe₂/ WS₂. Ze willen ook bulkgemiddelde metingen uitvoeren en deze resultaten vergelijken met lokale metingen met behulp van hun nieuwe methode.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/local-twist-angles-in-graphene-come-into-view/