Unghiurile de răsucire locale din grafen apar

Republicat de Platon

Urmaritori: 0

O diagramă schematică a modului în care metoda vizualizează direct variațiile unghiurilor locale de răsucire în materialele 2D răsucite — O răsucire diferită: o diagramă schematică care arată modul în care metoda vizualizează direct variațiile unghiurilor locale de răsucire în materialele 2D răsucite. Noua tehnică a dezvăluit variații pronunțate ale unghiurilor locale de răsucire în grafenul cu două straturi răsucite. (Cu amabilitatea: S Zhu)

Stivuirea straturilor de materiale bidimensionale unele peste altele și variarea unghiului de răsucire dintre ele modifică masiv proprietățile lor electronice. Trucul este să obțineți unghiul de răsucire corect și să știți când ați făcut acest lucru. Cercetătorii din China au dezvoltat acum o tehnică care ajută la a doua parte a acestei provocări. Permițând oamenilor de știință să vizualizeze direct variațiile unghiurilor locale de răsucire, noua tehnică a aruncat lumină asupra structurii electronice a materialelor răsucite și accelerează dezvoltarea dispozitivelor care le exploatează proprietățile.

Grafenul (o formă 2D de carbon grosime de doar un atom) nu are o bandă interzisă electronică. Nici o pereche de straturi de grafen stivuite unul peste altul. Cu toate acestea, dacă adăugați un alt material 2D numit nitrură de bor hexagonală (hBN) la stivă, apare un interval de bandă. Acest lucru se datorează faptului că constanta rețelei a hBN - o măsură a modului în care sunt aranjați atomii săi - este aproape aceeași cu cea a grafenului, dar nu exact. Straturile ușor nepotrivite de grafen și hBN formează o structură mai mare, cunoscută sub numele de superlatice moiré, iar interacțiunile dintre atomii din apropiere din această superrețea permit formarea unui gol. Dacă straturile sunt apoi răsucite astfel încât să fie mai nealiniate, interacțiunile rețelei slăbesc, iar banda interzisă dispare.

Realizarea unor astfel de schimbări în materialele convenționale necesită de obicei ca oamenii de știință să modifice compoziția chimică a materialelor. Varierea unghiului de răsucire între straturile unui material 2D este o abordare complet diferită, iar posibilitățile asociate au dat startul unui nou domeniu al ingineriei dispozitivelor cunoscut sub numele de twistronics. Problema este că unghiurile de răsucire sunt greu de controlat, iar dacă diferite zone ale unei probe conțin unghiuri răsucite neuniform, proprietățile electronice ale probei vor varia de la o locație la alta. Acest lucru este departe de a fi ideal pentru dispozitivele de înaltă performanță, așa că cercetătorii au explorat modalități de a vizualiza astfel de neomogenități mai precis.

O nouă metodă bazată pe sMIM

În noua lucrare, o echipă condusă de Hong-Jun Gao și Shiyu Zhu a Institutul de Fizică, Academia Chineză de Științe, a adaptat o metodă numită microscopie de impedanță cu microunde de scanare (sMIM), care a fost dezvoltată recent de Zhixun Shen si colegii de la Universitatea Stanford in Statele Unite ale Americii. Metoda adaptată implică aplicarea unei game de tensiuni de poartă pe eșantion și analizarea fluctuațiilor de conductivitate în datele sMIM în diferite poziții din acesta. „Acest proces furnizează tensiunile de poartă corespunzătoare intervalelor de benzi moiré, care indică benzile electronice complet umplute, dezvăluind direct detalii despre superlaticele moiré și unghiurile de răsucire locale”, explică Zhu.

Când cercetătorii au testat această metodă pe mostre de înaltă calitate de grafen bistrat răsucit fabricate de colegii lor Qianying Hu, Yang Xu și Jiawei Hu, au putut detecta direct variațiile unghiurilor de răsucire. De asemenea, au adunat informații despre conductivitatea zonelor localizate și au caracterizat alte stări electronice, cum ar fi stările Hall cuantice și izolatorii Chern, prin aplicarea câmpurilor magnetice în afara planului. „Am făcut aceste măsurători concomitent”, notează Zhu. „Acest lucru ne-a permis să obținem direct informații despre starea cuantică în diferite condiții locale de unghi de răsucire.”

Noua tehnică a evidențiat variații pronunțate ale unghiurilor locale de răsucire de aproximativ 0.3° pe distanțe de câțiva microni, adaugă el. De asemenea, a permis echipei să măsoare conductibilitatea locală, ceea ce nu este posibil cu metode alternative care utilizează tranzistori cu un singur electron pentru a măsura compresibilitatea sau nanoSQUID pentru a măsura câmpurile magnetice. În plus, pentru mostrele de grafen cu două straturi răsucite acoperite de un strat izolator BN, noua metodă are un avantaj semnificativ față de microscopia de scanare convențională cu tunel, deoarece poate pătrunde în stratul izolator.

Explorarea unor noi stări cuantice

„Lucrarea noastră a dezvăluit variația locală a unghiului de răsucire în interiorul și între domeniile unui material bidimensional răsucit”, spune Zhu. Lumea fizicii. „Acest lucru ne-a aprofundat înțelegerea stării microscopice a probei, permițându-ne să explicăm multe fenomene experimentale observate anterior în măsurătorile de „medie în vrac”. De asemenea, oferă o modalitate de a explora noi stări cuantice care sunt dificil de observat macroscopic, oferind perspective dintr-o perspectivă microscopică.”

Panglicile de grafen avansează twistronics

Datorită acestor măsurători, neuniformitatea unghiurilor locale de răsucire în materialele bidimensionale răsucite nu ar trebui să mai constituie o piedică în studiul unor noi stări cuantice, adaugă el. „În schimb, datorită distribuției bogate a unghiurilor locale de răsucire pe care am observat-o, ar trebui să fie acum posibilă compararea simultană a diferitelor stări cuantice în mai multe condiții locale de unghi de răsucire și în condițiile structurii benzii într-o singură probă.”

Cercetătorii își propun acum să își extindă tehnica la o gamă mai largă de sisteme răsucite și sisteme moiré cu heterostructură – de exemplu, în materiale precum MoTe bistrat răsucit.₂ și WSe₂/WS₂. De asemenea, ar dori să efectueze măsurători de medie în vrac și să compare aceste rezultate cu măsurătorile locale folosind noua lor metodă.