Pojawiają się lokalne kąty skręcenia w grafenie – Świat Fizyki

Układanie warstw dwuwymiarowych materiałów jedna na drugiej i zmienianie kąta skręcenia między nimi znacznie zmienia ich właściwości elektroniczne. Sztuka polega na tym, aby uzyskać odpowiedni kąt skrętu i wiedzieć, kiedy to zrobisz. Naukowcy z Chin opracowali obecnie technikę, która pomaga w drugiej części tego wyzwania. Umożliwiając naukowcom bezpośrednią wizualizację zmian w lokalnych kątach skręcenia, nowa technika rzuciła światło na strukturę elektronową skręconych materiałów i przyspieszyła rozwój urządzeń wykorzystujących ich właściwości.

Grafen (dwuwymiarowa forma węgla o grubości zaledwie jednego atomu) nie posiada elektronicznego pasma wzbronionego. Podobnie nie ma pary warstw grafenu ułożonych jedna na drugiej. Jeśli jednak do stosu dodamy kolejny materiał 2D, zwany sześciokątnym azotkiem boru (hBN), pojawi się przerwa wzbroniona. Dzieje się tak, ponieważ stała sieci hBN – miara rozmieszczenia jej atomów – jest prawie taka sama jak w przypadku grafenu, ale nie dokładnie. Nieco niedopasowane warstwy grafenu i hBN tworzą większą strukturę znaną jako supersieć mory, a interakcje między pobliskimi atomami w tej supersieci umożliwiają utworzenie szczeliny. Jeśli warstwy zostaną następnie skręcone w taki sposób, że będą jeszcze bardziej przesunięte, oddziaływania sieciowe słabną, a przerwa wzbroniona zanika.

Osiągnięcie takich zmian w konwencjonalnych materiałach zwykle wymaga od naukowców zmiany składu chemicznego materiałów. Zmienianie kąta skręcenia pomiędzy warstwami materiału 2D to zupełnie inne podejście, a związane z tym możliwości zapoczątkowały nową dziedzinę inżynierii urządzeń znaną jako twistronics. Problem polega na tym, że kąty skręcenia są trudne do kontrolowania, a jeśli różne obszary próbki zawierają nierównomiernie rozłożone kąty skręcenia, właściwości elektroniczne próbki będą się różnić w zależności od lokalizacji. Nie jest to idealne rozwiązanie w przypadku urządzeń o wysokiej wydajności, dlatego badacze badają sposoby dokładniejszej wizualizacji takich niejednorodności.

Nowa metoda oparta na sMIM

W nowej pracy zespół kierowany przez Hong-Jun Gao i Shiyu Zhu ukończenia Instytut Fizyki Chińskiej Akademii Nauk, zaadaptowali metodę zwaną skaningową mikroskopią impedancyjną mikrofalową (sMIM), którą niedawno opracowali: Zhixun Shen i koledzy z Stanford University w Stanach Zjednoczonych. Zaadaptowana metoda polega na przyłożeniu do próbki zakresu napięć bramki i analizie wahań przewodności danych sMIM w różnych jej pozycjach. „W procesie tym powstają napięcia bramki odpowiadające przerwom wzbronionym mory, które wskazują na w pełni wypełnione pasma elektroniczne, bezpośrednio ujawniając szczegóły dotyczące supersieci mory i lokalnych kątów skręcenia” – wyjaśnia Zhu.

Kiedy naukowcy przetestowali tę metodę na wysokiej jakości próbkach skręconego dwuwarstwowego grafenu wyprodukowanego przez ich kolegów Qianying Hu, Yang Xu i Jiawei Hubyli w stanie bezpośrednio wykryć zmiany kątów skrętu. Zebrali także informacje na temat przewodnictwa zlokalizowanych obszarów i scharakteryzowali inne stany elektronowe, takie jak kwantowe stany Halla i izolatory Cherna, poprzez zastosowanie pozapłaszczyznowych pól magnetycznych. „Dokonaliśmy tych pomiarów jednocześnie” – zauważa Zhu. „Umożliwiło nam to bezpośrednie uzyskanie informacji o stanie kwantowym w różnych lokalnych warunkach kąta skręcenia”.

Nowa technika ujawniła wyraźne różnice w lokalnych kątach skręcenia wynoszące około 0.3° na odległości kilku mikronów – dodaje. Umożliwiło to także zespołowi pomiar lokalnej przewodności, co nie jest możliwe w przypadku alternatywnych metod wykorzystujących tranzystory jednoelektronowe do pomiaru ściśliwości lub nanoSQUID do pomiaru pól magnetycznych. Co więcej, w przypadku próbek skręconego dwuwarstwowego grafenu pokrytego izolacyjną warstwą BN nowa metoda ma znaczną przewagę nad konwencjonalną skaningową mikroskopią tunelową, ponieważ może penetrować warstwę izolacyjną.

Odkrywanie nowych stanów kwantowych

„Nasza praca ujawniła lokalną zmienność kąta skręcenia w obrębie i pomiędzy domenami skręconego dwuwymiarowego materiału” – mówi Zhu Świat Fizyki. „Pogłębiło to naszą wiedzę na temat mikroskopijnego stanu próbki, co pozwoliło nam wyjaśnić wiele zjawisk eksperymentalnych obserwowanych wcześniej w pomiarach „uśredniania zbiorczego”. Umożliwia także badanie nowych stanów kwantowych, które są trudne do obserwacji makroskopowej, oferując wgląd z perspektywy mikroskopowej”.

Dzięki tym pomiarom nierówność lokalnych kątów skręcenia w skręconych materiałach dwuwymiarowych nie powinna już być przeszkodą w badaniu nowych stanów kwantowych – dodaje. „Zamiast tego, dzięki bogatemu rozkładowi lokalnych kątów skręcenia, które zaobserwowaliśmy, powinno być teraz możliwe jednoczesne porównywanie różnych stanów kwantowych w wielu lokalnych warunkach kąta skręcenia i warunkach struktury pasma w jednej próbce”.

Naukowcy zamierzają teraz rozszerzyć swoją technikę na szerszą gamę układów skręconych i heterostrukturalnych systemów mory – na przykład w materiałach takich jak skręcona dwuwarstwowa MoTe₂ i WSe₂/WS₂. Chcieliby także przeprowadzić pomiary uśredniające masowo i porównać te wyniki z pomiarami lokalnymi przy użyciu nowej metody.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/local-twist-angles-in-graphene-come-into-view/