Графеновые ленты продвигают твистронику

Ленты графена, а не квадраты, могли бы стать лучшей платформой для исследования необычных электронных эффектов, возникающих в результате скручивания и растяжения соседних слоев двумерных (2D) материалов. К такому выводу пришли учёные из США, Дании, Франции и Японии, чей подход существенно отличается от предыдущих исследований «твистроники», в которых основное внимание уделялось скручиванию двух хлопьев материала относительно друг друга и их последующей укладке друг на друга. По мнению команды, новая технология на основе ленты может дать исследователям лучший контроль над углом поворота, что облегчит изучение электронных эффектов.

В последние годы исследователи обнаружили, что они могут изменять электронные свойства 2D-материалов, накладывая слои этих материалов друг на друга и изменяя угол между ними. Например, бислой графена обычно не имеет запрещенной зоны, но она появляется при контакте с другим двумерным материалом, гексагональным нитридом бора (hBN).

Это изменение происходит потому, что постоянная решетки hBN – мера расположения его атомов – почти такая же, как у графена, но не совсем. Слегка несовпадающие слои графена и hBN образуют более крупную структуру, известную как муаровая сверхрешетка, а взаимодействия между соседними атомами в этой сверхрешетке позволяют сформировать запрещенную зону. Если затем слои скрутить так, что они еще больше разойдутся и угол между ними станет большим, запрещенная зона исчезнет. Точно так же графен сам по себе можно превратить из полуметаллического в полупроводниковый и даже сверхпроводящий в зависимости от угла между отдельными слоями графена.

Чтобы достичь такого разнообразия электронных свойств в обычных материалах, ученым обычно приходится изменять их химический состав путем введения легирующих добавок или намеренных примесей. Таким образом, возможность сделать это в 2D-материале, просто изменяя угол закручивания между слоями, является принципиально новым направлением в приборостроении, получившим название «твистроника».

Проблема в том, что углы скручивания и связанную с ними деформацию трудно контролировать, а это означает, что разные области образца могут иметь разные электронные свойства. В последней работе группа под руководством Кори Дин of Колумбийский университет в США преодолели эту проблему, поместив слой графена в форме ленты (а не квадратную чешуйку, как это обычно бывает) поверх слоя hBN и медленно согнув один конец ленты с помощью пьезоатомно-силового микроскопа. Полученная структура имеет угол закручивания, который постоянно меняется от точки, в которой лента начинает сгибаться, до конца. И вместо неконтролируемых изменений деформации образец теперь имеет однородный профиль деформации, который можно полностью предсказать по форме границы изогнутой ленты.

Сохранение угла и градиентов деформации

В своих экспериментах, подробно описанных в НаукаДин и его коллеги согнули один из слоев графена, придав ему форму, напоминающую полукруглую арку. Затем они поместили этот слой поверх второго, несгибаемого слоя. «При таком соединении мы намеренно вводим угловой градиент вдоль дуги и градиент деформации поперек дуги», — объясняет Дин. «Мы обнаружили, что вместо того, чтобы допускать случайные колебания локального угла скручивания или деформации, объединенные два слоя сохраняют градиенты угла и деформации, которые мы придаем в процессе изгиба».

Однако согнуть графеновую ленту непросто. Исследователям удалось это сделать, сначала отрезав ленту от большего куска графена с помощью процесса на основе атомно-силовой микроскопии (АСМ). Далее из многослойного объемного куска графита изготовили отдельный «слайдер», состоящий из круглого диска с ручками на внешнем ободе. Затем этот ползунок поместили на один конец ленты и протолкнули через него с помощью конца наконечника АСМ. «Слайдером можно управлять с помощью наконечника АСМ, и его можно снять после того, как лента будет согнута до нужной формы», — объясняет Дин.

Ключевой особенностью этого процесса является то, что межфазное трение графеновой ленты относительно низкое при размещении на hBN, что означает, что ее можно сгибать под нагрузкой, но при этом достаточно высокое, чтобы лента могла сохранять изогнутую форму при снятии нагрузки.

Степень изгиба ленты зависит от ее длины и ширины, а также от того, какую силу прикладывает к ее концу наконечник АСМ. Исследователи обнаружили, что длинные узкие ленты (то есть ленты с большим соотношением сторон) легче всего сгибать контролируемым образом.

«Беспрецедентный доступ к фазовой диаграмме с закрученным углом»

Возможность непрерывно настраивать как деформацию, так и угол скручивания даст исследователям беспрецедентный доступ к «фазовой диаграмме» скручиваемых углов, говорит Дин. Мир физики. «Электронная зонная структура скрученного бислоя чрезвычайно чувствительна к углу закручивания: например, «магический угол» определяется всего лишь одной десятой градуса, равной 1.1°. Медленное и контролируемое скручивание означает, что мы можем отобразить эту зависимость в одном устройстве с точностью, которая ранее была невозможна».

Делаем графеновые наноленты стабильными

И это еще не все: поскольку роль деформации в двухслойных графеновых системах под магическим углом почти полностью неизвестна экспериментально, новый метод дает первую возможность измерить ее воспроизводимым способом. «С технической точки зрения идея о том, что введение градиента деформации может помочь подавить случайные изменения угла поворота, стала для нас неожиданным сюрпризом», — говорит Дин. «Это открывает интересные идеи о том, как взаимодействовать с инженерией деформации и пространственно-контролируемыми изменениями углов, чтобы получить дополнительный контроль над структурой электронных зон в системах с витыми слоями».

В настоящее время команда Колумбийского университета составляет карту фазовой диаграммы угла деформации вокруг диапазона магических углов в скрученном двухслойном графене, используя комбинацию транспортной и сканирующей зондовой спектроскопии. Исследователи также изучают возможность применения этой техники к другим системам 2D-материалов. Например, в полупроводниках изгиб может направлять и направлять экситоны (электронно-дырочные пары), а в магнитных 2D-системах он может использоваться для создания необычных магнитных текстур. «Наконец, мы изучаем способы достижения изгиба с помощью электростатических или других немеханических средств», — рассказывает Дин. «Они могут обеспечить динамический контроль угла поворота на месте в двухслойных системах».

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
• Смещения блоков. Модернизация права собственности на экологические компенсации. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/graphene-ribbons-advance-twistronics/