Графенові стрічки просувають twistronics – Physics World

Графенові стрічки просувають twistronics – Physics World

Мітка часу: 19 вересня 2023 р., 4:27

Вигнута графенова стрічка, зображена сірим кольором, покладена плазом на інший графеновий лист. Стрічковий шар згинають у форму, що нагадує напівкруглу арку
На кривій: вигнута графенова стрічка, зображена сірим кольором, покладена на інший графеновий лист. Існує постійна зміна кута закручування між стрічкою вгорі та аркушем внизу. У деяких місцях атомні решітки двох листів розташовані під кутом 0° один до одного, а в інших вони закручені відносно один одного на 5°. (З люб’язного дозволу: Корі Дін, Колумбійський університет)

Стрічки з графену, а не квадрати, можуть стати кращою платформою для дослідження незвичайних електронних ефектів, які виникають внаслідок скручування та натягу сусідніх шарів двовимірних (2D) матеріалів. Це відкриття вчених із США, Данії, Франції та Японії, чий підхід суттєво відрізняється від попередніх досліджень “twistronics”, які зосереджувалися на скручуванні двох пластівців матеріалу відносно один одного, а потім їх укладанні. На думку команди, нова техніка на основі стрічки може дати дослідникам кращий контроль над кутом закручування, полегшуючи вивчення електронних ефектів.

Останніми роками дослідники виявили, що вони можуть змінювати електронні властивості 2D матеріалів, накладаючи шари цих матеріалів один на одного та змінюючи кут між ними. Наприклад, подвійний шар графену зазвичай не має забороненої зони, але вона утворюється при контакті з іншим двовимірним матеріалом, гексагональним нітридом бору (hBN).

Ця зміна відбувається тому, що постійна решітки hBN – міра розташування його атомів – майже така ж, як у графена, але не зовсім. Трохи невідповідні шари графену та hBN утворюють більшу структуру, відому як надгратка муару, і взаємодії між сусідніми атомами в цій надгратці дозволяють утворити заборонену зону. Якщо шари потім скручуються так, що вони ще більше зміщуються, і кут між ними стає великим, заборонена зона зникає. Подібним чином графен сам по собі може бути налаштований з напівметалічного в напівпровідниковий і навіть надпровідний залежно від кута між окремими шарами графену.

Щоб досягти такого розмаїття електронних властивостей у звичайних матеріалах, вченим зазвичай потрібно змінити їхній хімічний склад шляхом додавання легуючих добавок або навмисних домішок. Таким чином, можливість робити це в 2D-матеріалі просто змінюючи кут закручування між шарами є принципово новим напрямком у розробці пристроїв, який отримав назву «twistronics».

Проблема полягає в тому, що кути закручування та пов’язану з ними деформацію важко контролювати, а це означає, що різні ділянки зразка можуть мати незручні різні електронні властивості. В останній роботі команда під керівництвом Корі Дін of Колумбійський університет у США подолали цю проблему, помістивши графеновий шар у формі стрічки (а не квадратну луску, як це зазвичай буває) поверх шару hBN і повільно зігнувши один кінець стрічки за допомогою п’єзоатомно-силового мікроскопа. Отримана структура має кут закручування, який безперервно змінюється від точки, в якій стрічка починає згинатися, аж до кінця. І замість неконтрольованих коливань деформації зразок тепер має рівномірний профіль деформації, який можна повністю передбачити за формою межі зігнутої стрічки.

Збереження градієнтів кута та деформації

У своїх експериментах, які детально описані в наукаДін і його колеги зігнули один із графенових шарів у форму, що нагадує напівкруглу арку. Потім вони помістили цей шар поверх другого, розігнутого, шару. «Коли ми розміщуємо разом таким чином, ми навмисно вводимо градієнт кута вздовж дуги та градієнт деформації вздовж дуги», — пояснює Дін. «Ми виявили, що замість того, щоб допускати випадкові коливання локального кута скручування або деформації, об’єднані два шари зберігають градієнти кута та деформації, які ми надаємо під час процесу згинання».

Однак зігнути графенову стрічку нелегко. Дослідникам вдалося це зробити, спочатку вирізавши стрічку з більшого шматка графену за допомогою процесу на основі атомно-силової мікроскопії (AFM). Потім вони виготовили окремий «повзунок» із багатошарового об’ємного шматка графіту, що складається з круглого диска, виготовленого з ручками на зовнішньому ободі. Потім цей повзунок розмістили на одному кінці стрічки та проштовхнули через нього за допомогою кінця наконечника АСМ. «Повзунком можна керувати за допомогою наконечника AFM і знімати його після того, як стрічка буде зігнута у форму», — пояснює Дін.

Ключова особливість цього процесу полягає в тому, що міжфазне тертя графенової стрічки є відносно низьким, коли вона розміщена на hBN, тобто її можна згинати під навантаженням, але достатньо високою, щоб дозволити стрічці зберігати зігнуту форму, коли навантаження звільняється.

Ступінь, до якого стрічка буде згинатися, залежить від довжини та ширини стрічки та сили, прикладеної до її кінця наконечником AFM. Дослідники виявили, що довгі вузькі стрічки (тобто стрічки з великим співвідношенням сторін) найлегше згинати контрольованим способом.

«Безпрецедентний доступ до фазової діаграми під закрученим кутом»

Можливість безперервно регулювати деформацію та кут закручування дасть дослідникам безпрецедентний доступ до «фазової діаграми» закручених кутів, розповідає Дін. Світ фізики. «Електронна смугова структура скрученого двошару надзвичайно чутлива до кута закручування, наприклад, «магічний кут» визначається лише однією десятою градуса 1.1°. Повільне та контрольоване скручування означає, що ми можемо відобразити цю залежність в одному пристрої з точністю, яка раніше була неможливою».

І це ще не все: оскільки роль деформації в двошарових графенових системах із магічним кутом майже повністю невідома експериментально, нова техніка дає першу можливість виміряти її відтворюваним способом. «Технічно ідея про те, що введення градієнта деформації може допомогти придушити випадкові варіації кута скручування, стала для нас несподіваним сюрпризом», — каже Дін. «Це відкриває цікаві ідеї про те, як взаємодіяти інженерію деформації та просторово-контрольовані варіації кута, щоб отримати подальший контроль над структурою електронної смуги в системах з крученим шаром».

Команда Колумбійського університету зараз відтворює фазову діаграму кута деформації навколо магічного діапазону кутів у скрученому двошаровому графені, використовуючи комбінацію транспортної та скан-зондової спектроскопії. Дослідники також досліджують, чи зможуть вони застосувати цю техніку до інших систем двовимірних матеріалів. У напівпровідниках, наприклад, згинання може направляти та спрямовувати екситони (електронно-діркові пари), тоді як у магнітних 2D системах його можна використовувати для створення незвичайних магнітних текстур. «Нарешті, ми досліджуємо способи досягнення згинання за допомогою електростатичних чи інших немеханічних засобів», — розповідає Дін. «Це може дозволити динамічний контроль на місці кута закручування в двошарових системах».

Часова мітка:

Більше від Світ фізики