Graphene Ribbons พัฒนา Twistronics – Physics World

Graphene Ribbons พัฒนา Twistronics – Physics World

ประทับเวลา: 19 กันยายน 2023 4:27 น.

ริบบิ้นกราฟีนทรงโค้ง ซึ่งแสดงเป็นสีเทา วางราบกับแผ่นกราฟีนอีกแผ่น ชั้นริบบิ้นจะโค้งงอเป็นรูปร่างที่มีลักษณะโค้งครึ่งวงกลม
บนเส้นโค้ง: ริบบิ้นกราฟีนโค้ง ซึ่งมีภาพประกอบเป็นสีเทา วางราบกับแผ่นกราฟีนอีกแผ่น มีการเปลี่ยนแปลงมุมการบิดอย่างต่อเนื่องระหว่างริบบิ้นด้านบนและแผ่นงานด้านล่าง ในบางสถานที่ โครงตาข่ายของแผ่นทั้งสองจะเรียงกันเป็นมุม 0° ซึ่งสัมพันธ์กัน ในขณะที่บางแห่งจะบิดสัมพันธ์กันมากถึง 5° (เอื้อเฟื้อโดย: Cory Dean จากมหาวิทยาลัยโคลัมเบีย)

ริบบิ้นของกราฟีนแทนที่จะเป็นสี่เหลี่ยมจัตุรัสสามารถสร้างแพลตฟอร์มที่ดีกว่าสำหรับการตรวจสอบผลกระทบทางอิเล็กทรอนิกส์ที่ผิดปกติซึ่งเกิดจากการบิดและตึงของชั้นวัสดุสองมิติ (2D) ที่อยู่ติดกัน นี่คือการค้นพบของนักวิทยาศาสตร์ในสหรัฐอเมริกา เดนมาร์ก ฝรั่งเศส และญี่ปุ่น ซึ่งแนวทางแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญจากการศึกษาแบบ “twistronics” ก่อนหน้านี้ ซึ่งมุ่งเน้นไปที่การบิดสะเก็ดวัสดุสองชิ้นโดยสัมพันธ์กันแล้วจึงซ้อนกัน ทีมงานกล่าวว่าเทคนิคที่ใช้ริบบิ้นใหม่ช่วยให้นักวิจัยสามารถควบคุมมุมการบิดได้ดีขึ้น ทำให้ศึกษาเอฟเฟกต์อิเล็กทรอนิกส์ได้ง่ายขึ้น

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา นักวิจัยพบว่าพวกเขาสามารถเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ของวัสดุ 2 มิติได้โดยการวางชั้นของวัสดุเหล่านี้ไว้บนกันและกัน และเปลี่ยนมุมระหว่างวัสดุเหล่านั้น ตัวอย่างเช่น ปกติแล้วชั้นสองของกราฟีนจะไม่มีช่องว่างของแถบ แต่จะพัฒนาขึ้นมาเมื่อสัมผัสกับวัสดุ 2D อื่น ซึ่งก็คือโบรอนไนไตรด์หกเหลี่ยม (hBN)

การเปลี่ยนแปลงนี้เกิดขึ้นเนื่องจากค่าคงที่แลตทิซของ hBN ซึ่งเป็นหน่วยวัดวิธีการจัดเรียงอะตอมของมัน เกือบจะเหมือนกับค่าคงที่ของกราฟีน แต่ก็ไม่ทั้งหมด ชั้นกราฟีนและ hBN ที่ไม่ตรงกันเล็กน้อยก่อให้เกิดโครงสร้างขนาดใหญ่ที่เรียกว่า moiré superlattice และปฏิสัมพันธ์ระหว่างอะตอมที่อยู่ใกล้เคียงใน superlattice นี้ทำให้เกิดช่องว่างของแถบความถี่ หากเลเยอร์ถูกบิดเพื่อให้ไม่ตรงแนวอีกและมุมระหว่างเลเยอร์นั้นใหญ่ขึ้น ช่องว่างของแถบจะหายไป ในทำนองเดียวกัน กราฟีนสามารถปรับได้ตั้งแต่แบบกึ่งโลหะไปจนถึงแบบกึ่งตัวนำ และแม้กระทั่งแบบตัวนำยิ่งยวด ขึ้นอยู่กับมุมระหว่างชั้นกราฟีนแต่ละชั้น

เพื่อให้บรรลุถึงคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ที่หลากหลายในวัสดุทั่วไป โดยปกติแล้วนักวิทยาศาสตร์จำเป็นต้องเปลี่ยนองค์ประกอบทางเคมีโดยการเติมสารเจือปนหรือสารเจือปนโดยเจตนา ความสามารถในการทำเช่นนี้ในวัสดุ 2D เพียงแค่เปลี่ยนมุมการบิดระหว่างชั้นต่างๆ จึงเป็นทิศทางใหม่ขั้นพื้นฐานในด้านวิศวกรรมอุปกรณ์ และได้รับการขนานนามว่า "twistronics"

ปัญหาคือมุมบิดและความเครียดที่เกี่ยวข้องนั้นควบคุมได้ยาก ซึ่งหมายความว่าบริเวณต่างๆ ของตัวอย่างอาจมีคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ที่แตกต่างกันอย่างไม่สะดวก โดยผลงานล่าสุดนำทีมโดย คอรี ดีน of มหาวิทยาลัยโคลัมเบีย ในสหรัฐอเมริกาเอาชนะปัญหานี้โดยการวางชั้นกราฟีนรูปริบบิ้น (แทนที่จะเป็นเกล็ดสี่เหลี่ยมตามปกติ) ไว้บนชั้นของ hBN และค่อยๆ งอปลายด้านหนึ่งของริบบิ้นโดยใช้กล้องจุลทรรศน์แรงแบบเพียโซอะตอมมิก โครงสร้างที่ได้จะมีมุมการบิดที่แตกต่างกันอย่างต่อเนื่องตั้งแต่จุดที่ริบบิ้นเริ่มงอไปจนถึงปลาย และแทนที่จะมีการเปลี่ยนแปลงของความเครียดที่ไม่สามารถควบคุมได้ ตอนนี้ตัวอย่างมีโปรไฟล์ความเครียดที่สม่ำเสมอซึ่งสามารถคาดการณ์ได้อย่างเต็มที่ด้วยรูปร่างขอบเขตของริบบิ้นที่โค้งงอ

การรักษามุมและการไล่ระดับความเครียด

ซึ่งในการทดลองซึ่งมีรายละเอียดอยู่ในนั้น วิทยาศาสตร์คณบดีและเพื่อนร่วมงานดัดชั้นกราฟีนชั้นหนึ่งให้กลายเป็นรูปร่างที่มีลักษณะคล้ายส่วนโค้งครึ่งวงกลม จากนั้นพวกเขาก็วางเลเยอร์นี้ไว้ด้านบนของเลเยอร์ที่สองที่ไม่โค้งงอ “เมื่อนำมารวมกันในลักษณะนี้ เราตั้งใจที่จะแนะนำการไล่ระดับมุมตามแนวส่วนโค้ง และการไล่ระดับความเครียดข้ามส่วนโค้ง” Dean อธิบาย “เราพบว่าแทนที่จะปล่อยให้เกิดความผันผวนแบบสุ่มในมุมบิดหรือความเครียดเฉพาะที่ สองชั้นที่รวมกันจะรักษามุมและความชันของความเครียดที่เราให้ไว้ในระหว่างกระบวนการดัดงอ”

อย่างไรก็ตาม การดัดริบบิ้นกราฟีนไม่ใช่เรื่องง่าย นักวิจัยจัดการมันโดยการตัดริบบิ้นจากกราฟีนชิ้นใหญ่ก่อนโดยใช้กระบวนการที่ใช้กล้องจุลทรรศน์กำลังอะตอม (AFM) ต่อไป พวกเขาประดิษฐ์ "ตัวเลื่อน" แยกจากชิ้นกราไฟท์จำนวนมากหลายชั้น ซึ่งประกอบด้วยแผ่นกลมที่ประดิษฐ์ขึ้นพร้อมที่จับที่ขอบด้านนอก จากนั้นเลื่อนแถบเลื่อนนี้ไปที่ปลายด้านหนึ่งของริบบิ้นแล้วดันข้ามโดยใช้ปลาย AFM “แถบเลื่อนสามารถควบคุมได้ด้วยปลาย AFM และถอดออกได้หลังจากที่ริบบิ้นงอเป็นรูปร่างแล้ว” Dean อธิบาย

คุณลักษณะสำคัญของกระบวนการนี้คือแรงเสียดทานระหว่างพื้นผิวของกราฟีนริบบิ้นค่อนข้างต่ำเมื่อวางบน hBN ซึ่งหมายความว่าสามารถโค้งงอได้ภายใต้ภาระ แต่ยังสูงพอที่จะทำให้ริบบิ้นคงรูปร่างโค้งงอได้เมื่อปล่อยภาระออก

ขอบเขตที่ริบบอนจะโค้งงอขึ้นอยู่กับความยาวและความกว้างของริบบอน และแรงที่ใช้กับปลาย AFM ที่ปลายริบบิ้น นักวิจัยพบว่าริบบอนที่ยาวและแคบ (นั่นคือ ริบบอนที่มีอัตราส่วนกว้างยาว) เป็นวิธีที่ง่ายที่สุดในการโค้งงอในลักษณะควบคุม

“การเข้าถึงแผนภาพเฟสมุมบิดอย่างที่ไม่เคยมีมาก่อน”

ความสามารถในการปรับแต่งทั้งความเครียดและมุมบิดอย่างต่อเนื่องจะช่วยให้นักวิจัยสามารถเข้าถึง "แผนภาพเฟส" ของมุมบิดได้อย่างที่ไม่เคยมีมาก่อน คณบดีบอก โลกฟิสิกส์. “โครงสร้างแถบอิเล็กทรอนิกส์ของชั้นบิดเกลียวมีความไวต่อมุมการบิดอย่างมาก ตัวอย่างเช่น 'มุมมหัศจรรย์' ถูกกำหนดไว้เพียงหนึ่งในสิบของระดับ 1.1° การบิดที่ช้าและควบคุมได้หมายความว่าเราสามารถแมปการพึ่งพานี้ในอุปกรณ์เครื่องเดียวให้มีความแม่นยำอย่างที่ไม่เคยทำได้มาก่อน”

และนั่นไม่ใช่ทั้งหมด เนื่องจากบทบาทของความเครียดในระบบกราฟีนสองชั้นแบบมุมมหัศจรรย์นั้นแทบไม่เป็นที่รู้จักในการทดลอง เทคนิคใหม่นี้จึงเป็นโอกาสแรกในการวัดด้วยวิธีที่สามารถทำซ้ำได้ “ในทางเทคนิคแล้ว แนวคิดที่ว่าการใช้การไล่ระดับความเครียดสามารถช่วยลดการเปลี่ยนแปลงของมุมการบิดแบบสุ่มนั้นเป็นเรื่องที่น่าประหลาดใจสำหรับเรา” Dean กล่าว "นี่เป็นการเปิดแนวคิดที่น่าสนใจเกี่ยวกับวิธีการผสมผสานวิศวกรรมความเครียดและการแปรผันของมุมที่ควบคุมเชิงพื้นที่เพื่อให้สามารถควบคุมโครงสร้างวงดนตรีอิเล็กทรอนิกส์ในระบบเลเยอร์ที่บิดเบี้ยวได้มากขึ้น"

ขณะนี้ทีมงานโคลัมเบียกำลังจัดทำแผนภาพเฟสมุมความเครียดรอบช่วงมุมมหัศจรรย์ในกราฟีนแบบบิดสองชั้นโดยใช้การผสมผสานระหว่างสเปกโทรสโกปีแบบขนส่งและสแกน นักวิจัยยังกำลังสำรวจว่าพวกเขาสามารถนำเทคนิคนี้ไปใช้กับระบบวัสดุ 2 มิติอื่นๆ ได้หรือไม่ ตัวอย่างเช่น ในเซมิคอนดักเตอร์ การโค้งงอสามารถนำทางและกระตุ้น exciton ของกรวย (คู่ของรูอิเล็กตรอน) ในขณะที่ในระบบ 2D แม่เหล็ก อาจใช้เพื่อสร้างพื้นผิวแม่เหล็กที่ผิดปกติ “สุดท้ายนี้ เรากำลังสำรวจวิธีการโค้งงอด้วยวิธีไฟฟ้าสถิตหรือวิธีอื่นๆ ที่ไม่ใช่กลไก” Dean เผย "สิ่งเหล่านี้อาจทำให้สามารถควบคุมมุมการบิดแบบไดนามิกในแหล่งกำเนิดในระบบสองชั้นได้"

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์