Wstążki grafenowe rozwijają twistronics – Świat Fizyki

Wstążki grafenowe rozwijają twistronics – Świat Fizyki

Znacznik czasu: 19 września 2023 4:27

Zakrzywiona wstążka grafenowa, pokazana na szaro, ułożona płasko na innym arkuszu grafenowym. Warstwa wstążki jest wygięta w kształt przypominający półkolisty łuk
Na krzywej: Zakrzywiona wstęga grafenowa, pokazana na szaro, ułożona płasko na innym arkuszu grafenowym. Występuje ciągła zmiana kąta skrętu pomiędzy wstęgą powyżej a arkuszem poniżej. W niektórych miejscach sieci atomowe obu arkuszy układają się względem siebie pod kątem 0°, w innych zaś są skręcone względem siebie aż o 5°. (Dzięki uprzejmości: Cory Dean, Uniwersytet Columbia)

Wstążki grafenu, a nie kwadraty, mogłyby stanowić lepszą platformę do badania niezwykłych efektów elektronicznych, które powstają w wyniku skręcania i naprężania sąsiadujących warstw materiałów dwuwymiarowych (2D). Takiego odkrycia dokonali naukowcy z USA, Danii, Francji i Japonii, których podejście znacznie różni się od poprzednich badań nad „twistronicą”, które skupiały się na skręcaniu dwóch płatków materiału względem siebie, a następnie układaniu ich w stosy. Według zespołu nowa technika oparta na wstędze może zapewnić naukowcom lepszą kontrolę nad kątem skrętu, ułatwiając badanie efektów elektronicznych.

W ostatnich latach naukowcy odkryli, że można zmieniać właściwości elektroniczne materiałów 2D, układając warstwy tych materiałów jedna na drugiej i zmieniając kąt między nimi. Na przykład dwuwarstwa grafenu zwykle nie ma pasma wzbronionego, ale tworzy się ono po zetknięciu z innym materiałem 2D, sześciokątnym azotkiem boru (hBN).

Zmiana ta następuje, ponieważ stała sieci hBN – miara rozmieszczenia jej atomów – jest prawie taka sama jak w przypadku grafenu, ale nie do końca. Nieco niedopasowane warstwy grafenu i hBN tworzą większą strukturę znaną jako supersieć mory, a interakcje między pobliskimi atomami w tej supersieci umożliwiają utworzenie pasma wzbronionego. Jeśli następnie warstwy zostaną skręcone w taki sposób, że będą jeszcze bardziej przesunięte, a kąt między nimi stanie się duży, pasmo wzbronione zanika. Podobnie sam grafen można dostosować z półmetalicznego do półprzewodnikowego, a nawet nadprzewodzącego, w zależności od kąta między poszczególnymi warstwami grafenu.

Aby osiągnąć tę różnorodność właściwości elektronicznych w konwencjonalnych materiałach, naukowcy zwykle muszą zmienić ich skład chemiczny poprzez wprowadzenie domieszek lub celowych zanieczyszczeń. Możliwość zrobienia tego w materiale 2D po prostu poprzez zmianę kąta skręcenia pomiędzy warstwami jest zatem zasadniczo nowym kierunkiem w inżynierii urządzeń i została nazwana „twistroniką”.

Problem polega na tym, że kąty skręcenia i związane z nimi odkształcenia są trudne do kontrolowania, co oznacza, że ​​różne obszary próbki mogą mieć niedogodnie różne właściwości elektroniczne. W najnowszej pracy zespół kierowany przez Cory’ego Deana of Columbia University w USA rozwiązało ten problem, umieszczając warstwę grafenu w kształcie wstążki (a nie jak zwykle kwadratowy płatek) na warstwie hBN i powoli zginając jeden koniec wstęgi za pomocą mikroskopu sił piezoatomowych. Powstała struktura ma kąt skręcenia, który zmienia się w sposób ciągły od punktu, w którym wstęga zaczyna się zginać, aż do jej końca. Zamiast niekontrolowanych zmian odkształcenia próbka ma teraz jednolity profil odkształcenia, który można w pełni przewidzieć na podstawie kształtu granicznego wygiętej wstęgi.

Utrzymywanie gradientów kąta i odkształcenia

W swoich eksperymentach, które są szczegółowo opisane w naukaDean i współpracownicy wygięli jedną z warstw grafenu w kształt przypominający półkolisty łuk. Następnie umieścili tę warstwę na drugiej, niezagiętej warstwie. „Po umieszczeniu w ten sposób celowo wprowadzamy gradient kąta wzdłuż łuku i gradient odkształcenia w poprzek łuku” – wyjaśnia Dean. „Odkryliśmy, że zamiast dopuszczać przypadkowe wahania lokalnego kąta skręcenia lub odkształcenia, połączone dwie warstwy utrzymują gradienty kąta i odkształcenia, które nadajemy podczas procesu zginania”.

Zaginanie wstęgi grafenowej nie jest jednak łatwe. Naukowcom udało się tego dokonać, najpierw przecinając wstęgę z większego kawałka grafenu, stosując proces oparty na mikroskopii sił atomowych (AFM). Następnie wykonali oddzielny „suwak” z wielowarstwowego, masowego kawałka grafitu składającego się z okrągłego krążka z uchwytami na zewnętrznej krawędzi. Suwak ten następnie umieszczono na jednym końcu wstęgi i przesunięto po nim za pomocą końca końcówki AFM. „Suwakiem można sterować za pomocą końcówki AFM i usuwać go po wygięciu taśmy w odpowiedni kształt” – wyjaśnia Dean.

Kluczową cechą tego procesu jest to, że tarcie międzyfazowe wstęgi grafenowej jest stosunkowo niskie po umieszczeniu na hBN, co oznacza, że ​​można ją zginać pod obciążeniem, ale jednocześnie na tyle dużą, aby wstęga zachowała swój wygięty kształt po zwolnieniu obciążenia.

Stopień wygięcia taśmy zależy od jej długości i szerokości oraz siły przyłożonej do jej końca przez końcówkę AFM. Naukowcy odkryli, że długie i wąskie wstążki (czyli wstążki o dużym współczynniku kształtu) najłatwiej zginać w kontrolowany sposób.

„Bezprecedensowy dostęp do diagramu fazowego o skręconym kącie”

Możliwość ciągłego dostrajania zarówno kąta odkształcenia, jak i skręcenia zapewni badaczom bezprecedensowy dostęp do „diagramu fazowego” kątów skręconych, mówi Dean Świat Fizyki. „Elektroniczna struktura pasmowa skręconej dwuwarstwy jest niezwykle wrażliwa na kąt skręcenia, przy czym na przykład „magiczny kąt” definiuje się tylko za pomocą jednej dziesiątej stopnia 1.1°. Powolne i kontrolowane skręcanie oznacza, że ​​możemy odwzorować tę zależność w jednym urządzeniu z precyzją, która wcześniej nie była możliwa.

Ale to nie wszystko: ponieważ rola odkształcenia w dwuwarstwowych układach grafenowych pod magicznym kątem jest prawie całkowicie nieznana eksperymentalnie, nowa technika zapewnia pierwszą możliwość pomiaru jej w powtarzalny sposób. „Z technicznego punktu widzenia pomysł, że wprowadzenie gradientu odkształcenia może pomóc w stłumieniu przypadkowych zmian kąta skręcenia, był dla nas nieoczekiwaną niespodzianką” – mówi Dean. „To otwiera ciekawe pomysły na wzajemne oddziaływanie inżynierii naprężeń i przestrzennie kontrolowanych zmian kąta, aby uzyskać dalszą kontrolę nad strukturą pasma elektronicznego w układach warstw skręconych”.

Zespół z Columbii mapuje obecnie diagram fazowy kąta odkształcenia wokół zakresu kąta magicznego w skręconym dwuwarstwowym grafenie, korzystając z kombinacji spektroskopii z sondą transportową i skanującą. Naukowcy badają również, czy można zastosować tę technikę w innych systemach materiałów 2D. Na przykład w półprzewodnikach zginanie może prowadzić i lejkować ekscytony (pary elektron-dziura), podczas gdy w magnetycznych systemach 2D można je wykorzystać do tworzenia niezwykłych tekstur magnetycznych. „Na koniec badamy sposoby uzyskania zginania za pomocą środków elektrostatycznych lub innych niemechanicznych środków” – ujawnia Dean. „Mogłyby one umożliwić dynamiczną kontrolę kąta skrętu na miejscu w systemach dwuwarstwowych”.

Znak czasu:

Więcej z Świat Fizyki