Grafenband främjar twistronics – Physics World

Band av grafen, snarare än fyrkanter, skulle kunna göra en bättre plattform för att undersöka de ovanliga elektroniska effekterna som uppstår från att vrida och spänna intilliggande lager av tvådimensionella (2D) material. Detta är upptäckten av forskare i USA, Danmark, Frankrike och Japan, vars tillvägagångssätt skiljer sig markant från tidigare "twistronics"-studier som fokuserade på att vrida två materialflingor i förhållande till varandra och sedan stapla dem. Enligt teamet kan den nya bandbaserade tekniken ge forskare bättre kontroll över vridningsvinkeln, vilket gör de elektroniska effekterna lättare att studera.

På senare år har forskare funnit att de kan förändra de elektroniska egenskaperna hos 2D-material genom att stapla lager av dessa material ovanpå varandra och variera vinkeln mellan dem. Till exempel har ett dubbelskikt av grafen normalt inte ett bandgap, men det utvecklar ett när det kommer i kontakt med ett annat 2D-material, hexagonal bornitrid (hBN).

Denna förändring inträffar eftersom gitterkonstanten för hBN – ett mått på hur dess atomer är ordnade – är nästan densamma som för grafen, men inte riktigt. De något felmatchade lagren av grafen och hBN bildar en större struktur som kallas ett moiré-supergitter, och interaktionerna mellan närliggande atomer i detta supergitter tillåter att ett bandgap bildas. Om skikten sedan vrids så att de hamnar ytterligare fel och vinkeln mellan dem blir stor försvinner bandgapet. På liknande sätt kan grafen på egen hand ställas in från halvmetalliskt till halvledande och till och med supraledande beroende på vinkeln mellan de individuella grafenlagren.

För att uppnå denna mångfald av elektroniska egenskaper i konventionella material behöver forskare normalt ändra sin kemiska sammansättning genom att införa dopämnen eller avsiktliga föroreningar. Att kunna göra detta i ett 2D-material helt enkelt genom att ändra vridningsvinkeln mellan lagren är därför en fundamentalt ny riktning inom enhetsteknik, och har kallats "twistronics".

Problemet är att vridningsvinklar och tillhörande töjning är svåra att kontrollera, vilket innebär att olika områden av ett prov kan ha obekvämt olika elektroniska egenskaper. I det senaste arbetet har ett team under ledning av Cory Dean of Columbia University i USA övervann detta problem genom att placera ett bandformat grafenlager (snarare än en fyrkantig flinga som vanligtvis är fallet) ovanpå ett lager av hBN och långsamt böja ena änden av bandet med hjälp av ett piezoatomiskt kraftmikroskop. Den resulterande strukturen har en vridningsvinkel som varierar kontinuerligt från den punkt där bandet börjar böjas hela vägen fram till dess ände. Och istället för okontrollerade variationer i töjningen har provet nu en enhetlig töjningsprofil som helt kan förutsägas av gränsformen på det böjda bandet.

Upprätthålla vinkel- och töjningsgradienter

I sina experiment, som beskrivs i detalj i Vetenskap, Dean och kollegor böjde ett av grafenlagren till en form som liknar en halvcirkelformad båge. Sedan placerade de detta lager ovanpå ett andra, oböjt lager. "När de placeras tillsammans på detta sätt introducerar vi avsiktligt en vinkelgradient längs bågen och en töjningsgradient över bågen," förklarar Dean. "Vi finner att istället för att tillåta slumpmässiga fluktuationer i den lokala vridningsvinkeln eller töjningen, bibehåller de kombinerade två skikten vinkel- och töjningsgradienterna som vi ger under böjningsprocessen."

Att böja grafenbandet är dock inte lätt. Forskarna klarade det genom att först klippa ett band från en större bit grafen med hjälp av en atomkraftsmikroskopi (AFM)-baserad process. Därefter tillverkade de en separat "slider" från en flerlagers, bulkbit av grafit bestående av en rund skiva tillverkad med handtag på den yttre kanten. Detta skjutreglage placerades sedan på ena änden av bandet och trycktes över det med änden av en AFM-spets. "Glidaren kan styras av AFM-spetsen och tas bort efter att bandet har böjts till form", förklarar Dean.

En nyckelfunktion i denna process är att grafenbandets gränssnittsfriktion är relativt låg när den placeras på hBN, vilket innebär att den kan böjas under belastning, men ändå tillräckligt hög för att låta bandet hålla sin böjda form när belastningen släpps.

I vilken utsträckning bandet kommer att böjas beror på bandets längd och bredd och hur mycket kraft som appliceras på änden av det av AFM-spetsen. Forskarna fann att långa, smala band (det vill säga band med stort bildförhållande) är lättast att böja på ett kontrollerat sätt.

"Oöverträffad tillgång till fasdiagrammet med vriden vinkel"

Att kontinuerligt kunna ställa in både töjning och vridningsvinkel kommer att ge forskare oöverträffad tillgång till "fasdiagrammet" för vridna vinklar, säger Dean Fysikvärlden. "Den elektroniska bandstrukturen hos vridna dubbelskikt är extremt känsliga för vridningsvinkeln, med till exempel den "magiska vinkeln" som definieras med bara en tiondels grad av 1.1°. Långsam och kontrollerbar vridning innebär att vi kan kartlägga detta beroende i en enda enhet till en precision som tidigare inte varit möjlig."

Gör grafen nanorribbons stabila

Och det är inte allt: eftersom påfrestningens roll på de magiska vinkelns dubbellagers grafensystem är nästan helt okänd experimentellt, ger den nya tekniken den första möjligheten att mäta den på ett reproducerbart sätt. "Tekniskt sett var uppfattningen att införandet av en töjningsgradient kunde hjälpa till att undertrycka slumpmässiga vridningsvinkelvariationer en oväntad överraskning för oss", säger Dean. "Detta öppnar för intressanta idéer om hur man kan samspela töjningsteknik och rumsligt kontrollerade vinkelvariationer för att få ytterligare kontroll över den elektroniska bandstrukturen i system med tvinnade lager."

Columbia-teamet kartlägger nu töjningsvinkelfasdiagrammet runt det magiska vinkelområdet i vriden dubbelskiktsgrafen med hjälp av en kombination av transport- och scan-probe-spektroskopi. Forskarna undersöker också om de kan tillämpa tekniken på andra 2D-materialsystem. I halvledare, till exempel, kan böjning styra och leda excitoner (elektron-hålspar), medan det i magnetiska 2D-system kan användas för att skapa ovanliga magnetiska texturer. "Slutligen undersöker vi sätt att uppnå böjning genom elektrostatiska eller andra icke-mekaniska medel," avslöjar Dean. "Dessa kan möjliggöra in-situ dynamisk kontroll av vridningsvinkeln i tvåskiktssystem."

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
• BlockOffsets. Modernisera miljökompensation ägande. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/graphene-ribbons-advance-twistronics/