Grafenski trakovi napredujejo pri Twistronics – Physics World

Grafenski trakovi napredujejo pri Twistronics – Physics World

Časovni žig: 19. september 2023 4

Ukrivljen grafenski trak, ilustriran v sivi barvi, prikazan plosko ob drugem grafenskem listu. Trak je upognjen v obliko, ki spominja na polkrožni lok
Na krivulji: ukrivljen grafenski trak, prikazan v sivi barvi, prikazan plosko ob drugem grafenskem listu. Kot zasuka med zgornjim trakom in spodnjim listom se nenehno spreminja. Ponekod sta atomski rešetki obeh plošč postavljeni pod kotom 0° druga proti drugi, drugje pa sta zasukani ena glede na drugo tudi za 5°. (Z dovoljenjem: Cory Dean, univerza Columbia)

Grafenski trakovi namesto kvadratov bi lahko bili boljša platforma za preizkušanje nenavadnih elektronskih učinkov, ki izhajajo iz zvijanja in napenjanja sosednjih plasti dvodimenzionalnih (2D) materialov. To je ugotovitev znanstvenikov v ZDA, na Danskem, v Franciji in na Japonskem, katerih pristop se bistveno razlikuje od prejšnjih študij twistronicsa, ki so se osredotočale na zvijanje dveh kosmičev materiala drug glede na drugega in njuno nato zlaganje. Po mnenju ekipe bi lahko nova tehnika, ki temelji na traku, raziskovalcem omogočila boljši nadzor nad kotom zasuka, zaradi česar bi bilo lažje preučevati elektronske učinke.

V zadnjih letih so raziskovalci ugotovili, da lahko spremenijo elektronske lastnosti 2D materialov z zlaganjem plasti teh materialov drugo na drugo in spreminjanjem kota med njimi. Na primer, dvosloj grafena običajno nima pasovne vrzeli, vendar jo razvije, ko pride v stik z drugim 2D materialom, heksagonalnim borovim nitridom (hBN).

Do te spremembe pride, ker je konstanta mreže hBN – merilo, kako so njegovi atomi razporejeni – skoraj enaka konstanti grafena, vendar ne povsem. Rahlo neujemajoče se plasti grafena in hBN tvorijo večjo strukturo, znano kot moiré supermreža, in interakcije med bližnjimi atomi v tej supermreži omogočajo nastanek pasovne vrzeli. Če se plasti nato zvijejo tako, da so še bolj neporavnane in kot med njimi postane velik, pasovna vrzel izgine. Podobno se lahko sam grafen spremeni iz polkovinskega v polprevodnega in celo superprevodnega, odvisno od kota med posameznimi plastmi grafena.

Da bi dosegli to raznolikost elektronskih lastnosti v običajnih materialih, morajo znanstveniki običajno spremeniti njihovo kemično sestavo z uvedbo dopantov ali namernih nečistoč. Možnost, da to naredimo v 2D materialu preprosto s spreminjanjem kota zasuka med plastmi, je torej bistveno nova smer v inženiringu naprav, ki so jo poimenovali "twistronics".

Težava je v tem, da je kote zasuka in s tem povezano deformacijo težko nadzorovati, kar pomeni, da imajo lahko različna področja vzorca neprimerno različne elektronske lastnosti. V zadnjem delu je ekipa pod vodstvom Cory Dean of Univerza Columbia v ZDA so to težavo rešili tako, da so grafensko plast v obliki traku (namesto kvadratnega kosmiča, kot je običajno) postavili na vrh plasti hBN in počasi upognili en konec traku z uporabo piezo-atomskega mikroskopa. Nastala struktura ima kot zasuka, ki se nenehno spreminja od točke, na kateri se trak začne upogibati, pa vse do njegovega konca. In namesto nenadzorovanih variacij deformacije ima vzorec zdaj enoten profil deformacije, ki ga je mogoče v celoti predvideti z obliko meje upognjenega traku.

Ohranjanje gradientov kota in deformacije

V svojih poskusih, ki so podrobno opisani v Znanost, Dean in sodelavci so upognili eno od plasti grafena v obliko, ki spominja na polkrožni lok. Nato so to plast položili na drugo, neupognjeno plast. »Ko jih postavimo skupaj na ta način, namerno uvedemo kotni gradient vzdolž loka in deformacijski gradient čez lok,« pojasnjuje Dean. "Ugotavljamo, da namesto naključnih nihanj v lokalnem zasučnem kotu ali deformaciji združeni dve plasti vzdržujeta gradient kota in deformacije, ki ju posredujemo med postopkom upogibanja."

Upogibanje grafenskega traku pa ni preprosto. Raziskovalcem je to uspelo tako, da so najprej izrezali trak iz večjega kosa grafena s postopkom, ki temelji na mikroskopiji na atomsko silo (AFM). Nato so izdelali ločen "drsnik" iz večplastnega, masivnega kosa grafita, sestavljenega iz okroglega diska, izdelanega z ročaji na zunanjem robu. Ta drsnik je bil nato nameščen na en konec traku in potisnjen čez njega s koncem AFM konice. »Drsnik je mogoče krmiliti s konico AFM in odstraniti, ko je trak upognjen v obliko,« pojasnjuje Dean.

Ključna značilnost tega procesa je, da je medfazno trenje grafenskega traku sorazmerno nizko, ko je postavljen na hBN, kar pomeni, da se lahko upogne pod obremenitvijo, vendar dovolj visoko, da lahko trak obdrži upognjeno obliko, ko se obremenitev sprosti.

Obseg, do katerega se bo trak upognil, je odvisen od dolžine in širine traku ter od tega, koliko sile na njegov konec deluje konica AFM. Raziskovalci so ugotovili, da je dolge, ozke trakove (to so trakovi z velikim razmerjem stranic) najlažje nadzorovano upogniti.

»Dostop brez primere do faznega diagrama z zasukanim kotom«

Zmožnost neprekinjenega uravnavanja deformacije in kota zasuka bo raziskovalcem omogočila dostop brez primere do "faznega diagrama" zasukanih kotov, pravi Dean Svet fizike. »Struktura elektronskega pasu zvitega dvosloja je izjemno občutljiva na kot zasuka, pri čemer je na primer 'magični kot' definiran le z eno desetinko stopinje 1.1°. Počasno in nadzorovano zvijanje pomeni, da lahko to odvisnost v eni sami napravi preslikamo do natančnosti, ki prej ni bila mogoča.«

In to še ni vse: ker je vloga obremenitve dvoslojnih grafenskih sistemov z magičnim kotom eksperimentalno skoraj popolnoma neznana, nova tehnika ponuja prvo priložnost za njeno merjenje na ponovljiv način. »Tehnično gledano je bila zamisel, da bi uvedba gradienta deformacije lahko pomagala zatreti naključne variacije kota zasuka, za nas nepričakovano presenečenje,« pravi Dean. "To odpira zanimive ideje o tem, kako medsebojno vplivati ​​na deformacijski inženiring in prostorsko nadzorovane variacije kotov, da bi pridobili nadaljnji nadzor nad strukturo elektronskega pasu v sistemih z zasukanimi plastmi."

Ekipa Columbie zdaj preslikava fazni diagram napetostnega kota okoli območja magičnih kotov v zvitem dvoslojnem grafenu z uporabo kombinacije transportne in skenirajoče spektroskopije. Raziskovalci tudi raziskujejo, ali lahko tehniko uporabijo za druge sisteme 2D materialov. V polprevodnikih bi na primer lahko upogibanje vodilo in usmerjalo eksitone (pare elektron-luknja), medtem ko bi se v magnetnih 2D sistemih lahko uporabilo za ustvarjanje nenavadnih magnetnih tekstur. »Končno raziskujemo načine, kako doseči upogibanje z elektrostatičnimi ali drugimi nemehanskimi sredstvi,« razkriva Dean. "To bi lahko omogočilo in-situ dinamično kontrolo kota zasuka v dvoslojnih sistemih."

Časovni žig:

Več od Svet fizike