Grafenbånd fremmer twistronics – Physics World

Grafenbånd fremmer twistronics – Physics World

Tidsstempel: 19. september 2023 4

Et buet grafenbånd, illustrert i grått, vist lagt flatt mot et annet grafenark. Båndlaget er bøyd til en form som ligner en halvsirkelformet bue
På kurven: Et buet grafenbånd, illustrert i grått, vist lagt flatt mot et annet grafenark. Det er en kontinuerlig endring i vrivinkelen mellom båndet over og arket under. Noen steder står atomgitteret til de to arkene i en vinkel på 0° i forhold til hverandre, mens andre steder er de vridd i forhold til hverandre med så mye som 5°. (Med tillatelse: Cory Dean, Columbia University)

Bånd av grafen, snarere enn firkanter, kan utgjøre en bedre plattform for å undersøke de uvanlige elektroniske effektene som oppstår ved å vri og tøye tilstøtende lag av todimensjonale (2D) materialer. Dette er funnet av forskere i USA, Danmark, Frankrike og Japan, hvis tilnærming skiller seg betydelig fra tidligere "twistronics"-studier som fokuserte på å vri to flak av materiale i forhold til hverandre og deretter stable dem. Ifølge teamet kan den nye båndbaserte teknikken gi forskere bedre kontroll over vrivinkelen, noe som gjør de elektroniske effektene lettere å studere.

De siste årene har forskere funnet ut at de kan endre de elektroniske egenskapene til 2D-materialer ved å stable lag av disse materialene oppå hverandre og variere vinkelen mellom dem. For eksempel har et tolag av grafen normalt ikke et båndgap, men det utvikler et når det kommer i kontakt med et annet 2D-materiale, sekskantet bornitrid (hBN).

Denne endringen skjer fordi gitterkonstanten til hBN - et mål på hvordan atomene er ordnet - er nesten den samme som for grafen, men ikke helt. De litt mismatchende lagene av grafen og hBN danner en større struktur kjent som et moiré-supergitter, og interaksjonene mellom nærliggende atomer i dette supergitteret gjør at det kan dannes et båndgap. Hvis lagene så vris slik at de blir ytterligere feiljustert og vinkelen mellom dem blir stor, forsvinner båndgapet. På samme måte kan grafen i seg selv innstilles fra semimetallisk til halvledende og til og med superledende avhengig av vinkelen mellom de individuelle grafenlagene.

For å oppnå denne variasjonen av elektroniske egenskaper i konvensjonelle materialer, må forskere normalt endre deres kjemiske sammensetning ved å introdusere dopingmidler eller bevisste urenheter. Å kunne gjøre dette i et 2D-materiale ganske enkelt ved å endre vridningsvinkelen mellom lagene er derfor en fundamentalt ny retning innen enhetsteknikk, og har blitt kalt "twistronics".

Problemet er at vridningsvinkler og den tilhørende belastningen er vanskelig å kontrollere, noe som betyr at forskjellige områder av en prøve kan ha upraktisk forskjellige elektroniske egenskaper. I det siste arbeidet har et team ledet av Cory Dean of Columbia University i USA overvant dette problemet ved å plassere et båndformet grafenlag (i stedet for et firkantet flak som vanligvis er tilfellet) oppå et lag med hBN og sakte bøye den ene enden av båndet ved hjelp av et piezo-atomisk kraftmikroskop. Den resulterende strukturen har en vridningsvinkel som varierer kontinuerlig fra det punktet hvor båndet begynner å bøye seg helt gjennom til enden. Og i stedet for ukontrollerte variasjoner i tøyningen, har prøven nå en ensartet tøyningsprofil som fullt ut kan forutsies av grenseformen til det bøyde båndet.

Opprettholde vinkel- og tøyningsgradienter

I sine eksperimenter, som er detaljert i Vitenskap, Dean og kollegene bøyde et av grafenlagene til en form som ligner en halvsirkelformet bue. Så la de dette laget på toppen av et andre, ubøyd, lag. "Når vi settes sammen på denne måten, introduserer vi med vilje en vinkelgradient langs buen, og en tøyningsgradient over buen," forklarer Dean. "Vi finner at i stedet for å tillate tilfeldige svingninger i den lokale vridningsvinkelen eller tøyningen, opprettholder de kombinerte to lagene vinkel- og tøyningsgradientene som vi gir under bøyeprosessen."

Å bøye grafenbåndet er imidlertid ikke lett. Forskerne klarte det ved først å kutte et bånd fra et større stykke grafen ved hjelp av en atomkraftmikroskopi (AFM)-basert prosess. Deretter laget de en egen "glider" fra et flerlags, bulk stykke grafitt bestående av en rund skive laget med håndtak på den ytre kanten. Denne glideren ble deretter plassert på den ene enden av båndet og skjøvet over den ved å bruke enden av en AFM-tupp. "Slideren kan kontrolleres av AFM-spissen og fjernes etter at båndet er bøyd i form," forklarer Dean.

Et sentralt trekk ved denne prosessen er at grafenbåndets grensesnittfriksjon er relativt lav når den plasseres på hBN, noe som betyr at den kan bøyes under belastning, men likevel høy nok til å la båndet holde sin bøyde form når belastningen slippes.

I hvilken grad båndet vil bøye avhenger av lengden og bredden på båndet og hvor mye kraft som påføres enden av det av AFM-spissen. Forskerne fant at lange, smale bånd (det vil si bånd med stort sideforhold) er de enkleste å bøye på en kontrollert måte.

"Enestående tilgang til fasediagrammet med vridd vinkel"

Å være i stand til kontinuerlig å justere både tøyning og vridningsvinkel vil gi forskere enestående tilgang til "fasediagrammet" av vridde vinkler, forteller Dean Fysikkens verden. "Den elektroniske båndstrukturen til tvunnet tolag er ekstremt følsom for vridningsvinkel, med for eksempel den "magiske vinkelen" som er definert med bare en tiendedel av en grad på 1.1°. Langsom og kontrollerbar vridning betyr at vi kan kartlegge denne avhengigheten i en enkelt enhet til en presisjon som ikke tidligere var mulig."

Og det er ikke alt: siden belastningen på de tolags grafensystemene med magisk vinkel er nesten totalt ukjent eksperimentelt, gir den nye teknikken den første muligheten til å måle den på en reproduserbar måte. "Teknisk sett var forestillingen om at å introdusere en tøyningsgradient kunne bidra til å undertrykke tilfeldige vrivinkelvariasjoner en uventet overraskelse for oss," sier Dean. "Dette åpner for interessante ideer om hvordan man kan samspille strain engineering og romlig kontrollerte vinkelvariasjoner for å få ytterligere kontroll over den elektroniske båndstrukturen i vridd lagsystemer."

Columbia-teamet kartlegger nå tøyningsvinkel-fasediagrammet rundt det magiske vinkelområdet i vridd tolagsgrafen ved å bruke en kombinasjon av transport- og skannesondespektroskopi. Forskerne undersøker også om de kan bruke teknikken på andre 2D-materialesystemer. I halvledere, for eksempel, kan bøying lede og trakte eksitoner (elektron-hull-par), mens det i magnetiske 2D-systemer kan brukes til å lage uvanlige magnetiske teksturer. "Til slutt undersøker vi måter å oppnå bøying ved hjelp av elektrostatiske eller andre ikke-mekaniske midler," avslører Dean. "Disse kan tillate in-situ dynamisk kontroll av vridningsvinkelen i tolagssystemer."

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden