Fitas de grafeno avançam twistrônica – Physics World

Fitas de grafeno avançam twistrônica – Physics World

Carimbo de data / hora: 19 de setembro de 2023 4:27

Uma fita curva de grafeno, ilustrada em cinza, mostrada plana contra outra folha de grafeno. A camada de fita é dobrada em uma forma que lembra um arco semicircular
Na curva: Uma fita curva de grafeno, ilustrada em cinza, mostrada plana contra outra folha de grafeno. Há uma mudança contínua no ângulo de torção entre a fita acima e a folha abaixo. Em alguns lugares, as redes atômicas das duas folhas alinham-se em um ângulo de 0° entre si, enquanto em outros, elas são torcidas uma em relação à outra em até 5°. (Cortesia: Cory Dean, Universidade de Columbia)

Fitas de grafeno, em vez de quadrados, poderiam ser uma plataforma melhor para sondar os efeitos eletrônicos incomuns que surgem da torção e tensão de camadas adjacentes de materiais bidimensionais (2D). Esta é a conclusão de cientistas dos EUA, Dinamarca, França e Japão, cuja abordagem difere significativamente dos estudos anteriores de “twistrónica” que se centravam em torcer dois flocos de material um em relação ao outro e depois empilhá-los. Segundo a equipe, a nova técnica baseada em fita poderia dar aos pesquisadores melhor controle sobre o ângulo de torção, facilitando o estudo dos efeitos eletrônicos.

Nos últimos anos, os pesquisadores descobriram que podem alterar as propriedades eletrônicas dos materiais 2D empilhando camadas desses materiais umas sobre as outras e variando o ângulo entre elas. Por exemplo, uma bicamada de grafeno normalmente não possui um band gap, mas desenvolve um quando colocada em contato com outro material 2D, o nitreto de boro hexagonal (hBN).

Esta mudança ocorre porque a constante de rede do hBN – uma medida de como os seus átomos estão dispostos – é quase a mesma que a do grafeno, mas não exatamente. As camadas ligeiramente incompatíveis de grafeno e hBN formam uma estrutura maior conhecida como superrede moiré, e as interações entre átomos próximos nesta superrede permitem a formação de um band gap. Se as camadas forem então torcidas de modo que fiquem ainda mais desalinhadas e o ângulo entre elas se torne grande, o intervalo de bandas desaparece. Da mesma forma, o grafeno por si só pode ser ajustado de semimetálico para semicondutor e até mesmo supercondutor, dependendo do ângulo entre as camadas individuais de grafeno.

Para alcançar esta variedade de propriedades electrónicas em materiais convencionais, os cientistas normalmente precisam de alterar a sua composição química através da introdução de dopantes ou impurezas deliberadas. Ser capaz de fazer isso em um material 2D simplesmente alterando o ângulo de torção entre as camadas é, portanto, uma direção fundamentalmente nova na engenharia de dispositivos e foi apelidada de “twistrônica”.

O problema é que os ângulos de torção e a deformação associada são difíceis de controlar, o que significa que diferentes áreas de uma amostra podem ter propriedades eletrônicas inconvenientemente diferentes. No último trabalho, uma equipe liderada por Cory Dean of Universidade de Columbia nos EUA, superou esse problema colocando uma camada de grafeno em forma de fita (em vez de um floco quadrado, como normalmente é o caso) sobre uma camada de hBN e dobrando lentamente uma extremidade da fita usando um microscópio de força piezoatômica. A estrutura resultante tem um ângulo de torção que varia continuamente desde o ponto em que a fita começa a dobrar até o final. E em vez de variações descontroladas na deformação, a amostra agora tem um perfil de deformação uniforme que pode ser totalmente previsto pelo formato do limite da fita dobrada.

Manter gradientes de ângulo e deformação

Em seus experimentos, detalhados em Ciência, Dean e colegas dobraram uma das camadas de grafeno em uma forma que lembra um arco semicircular. Em seguida, eles colocaram essa camada em cima de uma segunda camada não dobrada. “Quando colocados juntos dessa maneira, introduzimos intencionalmente um gradiente de ângulo ao longo do arco e um gradiente de deformação ao longo do arco”, explica Dean. “Descobrimos que, em vez de permitir flutuações aleatórias no ângulo de torção ou deformação local, as duas camadas combinadas mantêm o ângulo e os gradientes de deformação que transmitimos durante o processo de dobra.”

No entanto, dobrar a fita de grafeno não é fácil. Os pesquisadores conseguiram primeiro cortar uma fita de um pedaço maior de grafeno usando um processo baseado em microscopia de força atômica (AFM). Em seguida, eles fabricaram um “controle deslizante” separado a partir de um pedaço de grafite multicamadas que consiste em um disco redondo fabricado com alças na borda externa. Este controle deslizante foi então posicionado em uma extremidade da fita e empurrado através dela usando a extremidade de uma ponta AFM. “O controle deslizante pode ser controlado pela ponta do AFM e removido depois que a fita for dobrada”, explica Dean.

Uma característica fundamental deste processo é que o atrito interfacial da fita de grafeno é relativamente baixo quando colocado no hBN, o que significa que pode ser dobrado sob carga, mas alto o suficiente para permitir que a fita mantenha sua forma dobrada quando a carga é liberada.

A extensão em que a fita irá dobrar depende do comprimento e largura da fita e de quanta força é aplicada na extremidade dela pela ponta do AFM. Os pesquisadores descobriram que fitas longas e estreitas (ou seja, fitas com grande proporção de aspecto) são mais fáceis de dobrar de forma controlada.

“Acesso sem precedentes ao diagrama de fases de ângulo torcido”

Ser capaz de ajustar continuamente tanto a deformação quanto o ângulo de torção dará aos pesquisadores acesso sem precedentes ao “diagrama de fases” dos ângulos torcidos, diz Dean. Mundo da física. “A estrutura da banda eletrônica da bicamada torcida é extremamente sensível ao ângulo de torção, sendo, por exemplo, o 'ângulo mágico' definido com apenas um décimo de grau de 1.1°. A torção lenta e controlável significa que podemos mapear essa dependência em um único dispositivo com uma precisão que antes não era possível.”

E isso não é tudo: como o papel da deformação nos sistemas de grafeno de bicamada de ângulo mágico é quase totalmente desconhecido experimentalmente, a nova técnica oferece a primeira oportunidade de medi-la de forma reprodutível. “Tecnicamente, a noção de que a introdução de um gradiente de deformação poderia ajudar a suprimir variações aleatórias do ângulo de torção foi uma surpresa inesperada para nós”, diz Dean. “Isso abre ideias interessantes sobre como interagir a engenharia de deformação e as variações de ângulo controladas espacialmente para obter maior controle sobre a estrutura da banda eletrônica em sistemas de camadas torcidas.”

A equipe de Columbia está agora mapeando o diagrama de fase do ângulo de deformação em torno da faixa do ângulo mágico no grafeno de bicamada torcida usando uma combinação de espectroscopia de transporte e sonda de varredura. Os pesquisadores também estão explorando se podem aplicar a técnica a outros sistemas de materiais 2D. Em semicondutores, por exemplo, a flexão poderia guiar e canalizar excitons (pares elétron-buraco), enquanto em sistemas magnéticos 2D, poderia ser usada para criar texturas magnéticas incomuns. “Finalmente, estamos explorando maneiras de conseguir flexão através de meios eletrostáticos ou outros meios não mecânicos”, revela Dean. “Isso poderia permitir o controle dinâmico in-situ do ângulo de torção em sistemas de bicamada.”

Carimbo de hora:

Mais de Mundo da física