Panglicile de grafen avansează twistronics – Physics World

Panglicile de grafen avansează twistronics – Physics World

Marca temporală: 19 septembrie 2023, ora 4:27

O panglică curbată din grafen, ilustrată cu gri, afișată așezată pe o altă foaie de grafen. Stratul de panglică este îndoit într-o formă care seamănă cu un arc semicircular
Pe curbă: o panglică curbată din grafen, ilustrată cu gri, așezată pe o altă foaie de grafen. Există o schimbare continuă a unghiului de răsucire între panglica de deasupra și foaia de dedesubt. În unele locuri, rețelele atomice ale celor două foi se aliniază la un unghi de 0° una față de cealaltă, în timp ce în altele, ele sunt răsucite una față de alta cu până la 5°. (Cu amabilitatea: Cory Dean, Universitatea Columbia)

Panglicile de grafen, mai degrabă decât pătratele, ar putea constitui o platformă mai bună pentru sondarea efectelor electronice neobișnuite care apar din răsucirea și încordarea straturilor adiacente de materiale bidimensionale (2D). Aceasta este constatarea oamenilor de știință din SUA, Danemarca, Franța și Japonia, a căror abordare diferă semnificativ de studiile anterioare „twistronic” care s-au concentrat pe răsucirea a doi fulgi de material unul față de celălalt și apoi stivuirea lor. Potrivit echipei, noua tehnică bazată pe panglică ar putea oferi cercetătorilor un control mai bun asupra unghiului de răsucire, făcând efectele electronice mai ușor de studiat.

În ultimii ani, cercetătorii au descoperit că pot modifica proprietățile electronice ale materialelor 2D prin stivuirea straturilor din aceste materiale unele peste altele și variind unghiul dintre ele. De exemplu, un strat dublu de grafen nu are în mod normal o bandă interzisă, dar o dezvoltă atunci când este pus în contact cu un alt material 2D, nitrură de bor hexagonală (hBN).

Această schimbare are loc deoarece constanta rețelei a hBN – o măsură a modului în care sunt aranjați atomii săi – este aproape aceeași cu cea a grafenului, dar nu chiar. 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 unei benzi interzise. Dacă straturile sunt apoi răsucite astfel încât să fie în continuare nealiniate și unghiul dintre ele devine mare, intervalul de bandă dispare. În mod similar, grafenul în sine poate fi reglat de la semimetalic la semiconductor și chiar supraconductor, în funcție de unghiul dintre straturile individuale de grafen.

Pentru a obține această varietate de proprietăți electronice în materialele convenționale, oamenii de știință trebuie în mod normal să-și schimbe compoziția chimică prin introducerea de dopanți sau impurități deliberate. A putea face acest lucru într-un material 2D pur și simplu prin modificarea unghiului de răsucire dintre straturi este, prin urmare, o direcție fundamental nouă în ingineria dispozitivelor și a fost numită „twistronics”.

Problema este că unghiurile de răsucire și deformarea asociată sunt greu de controlat, ceea ce înseamnă că diferite zone ale unei probe pot avea proprietăți electronice incomod diferite. În cea mai recentă lucrare, o echipă condusă de Cory Dean of Universitatea Columbia în SUA a depășit această problemă prin plasarea unui strat de grafen în formă de panglică (mai degrabă decât un fulg pătrat, așa cum este de obicei cazul) deasupra unui strat de hBN și îndoind încet un capăt al panglicii folosind un microscop cu forță piezo-atomică. Structura rezultată are un unghi de răsucire care variază continuu de la punctul în care panglica începe să se îndoaie până la capăt. Și în loc de variații necontrolate ale deformarii, eșantionul are acum un profil uniform de deformare care poate fi pe deplin prezis de forma limită a panglicii îndoite.

Menținerea gradienților de unghi și deformare

În experimentele lor, care sunt detaliate în Ştiinţă, Dean și colegii au îndoit unul dintre straturile de grafen într-o formă care seamănă cu un arc semicircular. Apoi au plasat acest strat deasupra unui al doilea strat, neîndoit. „Când sunt așezate împreună în acest mod, introducem în mod intenționat un gradient de unghi de-a lungul arcului și un gradient de deformare pe arc”, explică Dean. „Găsim că, în loc să permită fluctuații aleatorii ale unghiului de răsucire sau deformarii locale, cele două straturi combinate mențin unghiul și gradienții de deformare pe care le transmitem în timpul procesului de îndoire.”

Îndoirea panglicii de grafen nu este însă ușoară. Cercetătorii l-au reușit tăind mai întâi o panglică dintr-o bucată mai mare de grafen folosind un proces bazat pe microscopie cu forță atomică (AFM). Apoi, au fabricat un „glisor” separat dintr-o bucată de grafit în vrac, cu mai multe straturi, constând dintr-un disc rotund fabricat cu mânere pe marginea exterioară. Acest glisor a fost apoi poziționat pe un capăt al panglicii și împins peste el folosind capătul unui vârf AFM. „Clizorul poate fi controlat de vârful AFM și îndepărtat după ce panglica a fost îndoită în formă”, explică Dean.

O caracteristică cheie a acestui proces este că frecarea interfațală a panglicii de grafen este relativ scăzută atunci când este plasată pe hBN, ceea ce înseamnă că poate fi îndoită sub sarcină, dar suficient de înaltă pentru a permite panglicii să-și mențină forma îndoită atunci când sarcina este eliberată.

Măsura în care panglica se va îndoi depinde de lungimea și lățimea panglicii și de câtă forță este aplicată la capătul acesteia de vârful AFM. Cercetătorii au descoperit că panglicile lungi și înguste (adică panglicile cu un raport de aspect mare) sunt cel mai ușor de îndoit într-un mod controlat.

„Acces fără precedent la diagrama de fază cu unghi răsucit”

Capacitatea de a regla continuu atât forța, cât și unghiul de răsucire le va oferi cercetătorilor un acces fără precedent la „diagrama de fază” a unghiurilor răsucite, spune Dean Lumea fizicii. „Structura de bandă electronică a stratului dublu răsucit este extrem de sensibilă la unghiul de răsucire, cu, de exemplu, „unghiul magic” fiind definit cu doar o zecime de grad de 1.1°. Răsucirea lentă și controlabilă înseamnă că putem mapa această dependență într-un singur dispozitiv la o precizie care nu era posibilă anterior.”

Și asta nu este tot: deoarece rolul tensiunii asupra sistemelor de grafen cu două straturi magice este aproape total necunoscut experimental, noua tehnică oferă prima oportunitate de a o măsura într-un mod reproductibil. „Din punct de vedere tehnic, ideea că introducerea unui gradient de deformare ar putea ajuta la suprimarea variațiilor aleatoare ale unghiului de răsucire a fost o surpriză neașteptată pentru noi”, spune Dean. „Acest lucru deschide idei interesante despre cum să interacționați ingineria deformarii și variațiile de unghi controlate spațial pentru a obține un control suplimentar asupra structurii benzii electronice în sistemele de straturi răsucite.”

Echipa Columbia cartografiază acum diagrama de fază deformare-unghi în jurul intervalului de unghi magic în grafen bistrat răsucit, folosind o combinație de spectroscopie cu sondă de transport și scanare. Cercetătorii explorează, de asemenea, dacă pot aplica tehnica altor sisteme de materiale 2D. În semiconductori, de exemplu, îndoirea ar putea ghida și canaliza excitonii (perechi electron-găuri), în timp ce în sistemele magnetice 2D, ar putea fi folosită pentru a crea texturi magnetice neobișnuite. „În sfârșit, explorăm modalități de a realiza îndoirea prin mijloace electrostatice sau alte mijloace nemecanice”, dezvăluie Dean. „Acestea ar putea permite controlul dinamic in situ al unghiului de răsucire în sistemele cu două straturi.”

Timestamp-ul:

Mai mult de la Lumea fizicii