Lokale vrivinkler i grafen kommer til syne – Physics World

Å stable lag av todimensjonale materialer oppå hverandre og variere vrivinkelen mellom dem endrer deres elektroniske egenskaper massivt. Trikset er å få vrivinkelen akkurat riktig, og å vite når du har gjort det. Forskere i Kina har nå utviklet en teknikk som hjelper med den andre delen av denne utfordringen. Ved å la forskere direkte visualisere variasjonene i lokale vrivinkler, kaster den nye teknikken lys over den elektroniske strukturen til vridde materialer og akselererer utviklingen av enheter som utnytter egenskapene deres.

Grafen (en 2D-form av karbon bare ett atom tykt) har ikke et elektronisk båndgap. Heller ikke et par grafenlag stablet oppå hverandre. Men hvis du legger til et annet 2D-materiale kalt hexagonal bornitrid (hBN) til stabelen, oppstår et båndgap. Dette er fordi gitterkonstanten til hBN - et mål på hvordan atomene er ordnet - er nesten den samme som grafen, men ikke nøyaktig. 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 gap. Hvis lagene deretter vris slik at de blir ytterligere feiljustert, svekkes gitterinteraksjonene, og båndgapet forsvinner.

Å oppnå slike endringer i konvensjonelle materialer krever vanligvis at forskere endrer materialenes kjemiske sammensetning. Å variere vrivinkelen mellom lag av et 2D-materiale er en helt annen tilnærming, og de tilhørende mulighetene startet et nytt felt innen enhetsteknikk kjent som twistronics. Problemet er at vridningsvinkler er vanskelige å kontrollere, og hvis ulike områder av en prøve inneholder ujevnt fordelte vridde vinkler, vil prøvens elektroniske egenskaper variere fra sted til sted. Dette er langt fra ideelt for enheter med høy ytelse, så forskere har undersøkt måter å visualisere slike inhomogeniteter mer presist.

En ny metode basert på sMIM

I det nye arbeidet har et team ledet av Hong-Jun Gao og Shiyu Zhu av Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences, tilpasset en metode kalt skannemikrobølgeimpedansmikroskopi (sMIM) som nylig ble utviklet av Zhixun Shen og kolleger på Stanford University i USA. Den tilpassede metoden innebærer å påføre en rekke portspenninger på prøven og analysere konduktivitetsfluktuasjoner i sMIM-dataene på forskjellige posisjoner i den. "Denne prosessen gir gatespenningene som tilsvarer moiré-båndgap, som indikerer fullt fylte elektroniske bånd, og avslører direkte detaljer om moiré-supergitteret og lokale vrivinkler," forklarer Zhu.

Da forskerne testet denne metoden på høykvalitetsprøver av vridd tolags grafen laget av kollegene deres Qianying Hu, Yang Xu og Jiawei Hu, var de i stand til å oppdage variasjoner av vrivinkler direkte. De fanget også informasjon om ledningsevnen til lokaliserte områder, og de karakteriserte andre elektroniske tilstander som kvantehalltilstander og Chern-isolatorer ved å påføre magnetfelt utenfor planet. "Vi gjorde disse målingene samtidig," bemerker Zhu. "Dette tillot oss å skaffe kvantetilstandsinformasjon direkte under forskjellige lokale vrivinkelforhold."

Den nye teknikken avslørte uttalte variasjoner i de lokale vrivinklene på rundt 0.3° over avstander på flere mikron, legger han til. Det gjorde også teamet i stand til å måle lokal ledningsevne, noe som ikke er mulig med alternative metoder som bruker enkeltelektrontransistorer for å måle kompressibilitet eller nanoSQUIDs for å måle magnetiske felt. Dessuten, for prøver av vridd tolags grafen dekket av et isolerende BN-lag, har den nye metoden en betydelig fordel i forhold til konvensjonell skanningstunnelmikroskopi, siden den kan trenge gjennom det isolerende laget.

Utforsker nye kvantetilstander

"Vårt arbeid har avslørt den lokale vrivinkelvariasjonen innenfor og mellom domener av et vridd todimensjonalt materiale," forteller Zhu Fysikkens verden. "Dette har utdypet vår forståelse av den mikroskopiske tilstanden til prøven, slik at vi kan forklare mange eksperimentelle fenomener tidligere observert i 'bulk-gjennomsnittsmålinger'. Det gir også en måte å utforske nye kvantetilstander som er vanskelige å observere makroskopisk, og gir innsikt fra et mikroskopisk perspektiv."

Takket være disse målingene, bør ujevnheten i lokale vrivinkler i vridde todimensjonale materialer ikke lenger være en hindring for studiet av nye kvantetilstander, legger han til. "I stedet, takket være den rike fordelingen av lokale vrivinkler vi har observert, bør det nå være mulig å sammenligne ulike kvantetilstander samtidig under flere lokale vrivinkelforhold og båndstrukturforhold i en enkelt prøve."

Forskerne tar nå sikte på å utvide teknikken til et bredere spekter av vridde systemer og heterostrukturmoiré-systemer - for eksempel i materialer som tvunnet tolags MoTe₂ og WSe₂/WS₂. De ønsker også å gjennomføre bulk-gjennomsnittsmålinger og sammenligne disse resultatene med lokale målinger ved hjelp av deres nye metode.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• PlatoESG. Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
• PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/local-twist-angles-in-graphene-come-into-view/