Góc xoắn cục bộ của graphene được quan sát

Được xuất bản lại bởi Plato

Người theo dõi: 0

Sơ đồ về cách phương pháp trực quan hóa sự thay đổi góc xoắn cục bộ trong vật liệu 2D xoắn — Một bước xoắn khác: Một sơ đồ thể hiện cách phương pháp trực quan hóa các biến thể về góc xoắn cục bộ trong vật liệu 2D xoắn. Kỹ thuật mới cho thấy những biến đổi rõ rệt về góc xoắn cục bộ ở graphene hai lớp xoắn. (Lịch sự: S Zhu)

Việc xếp chồng các lớp vật liệu hai chiều lên nhau và thay đổi góc xoắn giữa chúng sẽ làm thay đổi đáng kể tính chất điện tử của chúng. Bí quyết là có được góc xoắn vừa phải và biết khi nào bạn đã làm như vậy. Các nhà nghiên cứu ở Trung Quốc hiện đã phát triển một kỹ thuật giúp giải quyết phần thứ hai của thử thách này. Bằng cách cho phép các nhà khoa học hình dung trực tiếp sự thay đổi góc xoắn cục bộ, kỹ thuật mới làm sáng tỏ cấu trúc điện tử của vật liệu xoắn và đẩy nhanh sự phát triển của các thiết bị khai thác các đặc tính của chúng.

Graphene (một dạng carbon 2D chỉ dày một nguyên tử) không có vùng cấm điện tử. Cặp lớp graphene xếp chồng lên nhau cũng vậy. Tuy nhiên, nếu bạn thêm một vật liệu 2D khác gọi là boron nitride lục giác (hBN) vào ngăn xếp thì sẽ xuất hiện một khoảng trống. Điều này là do hằng số mạng của hBN – thước đo cách sắp xếp các nguyên tử của nó – gần giống với hằng số mạng của graphene, nhưng không chính xác. Các lớp graphene và hBN hơi không khớp nhau tạo thành một cấu trúc lớn hơn được gọi là siêu mạng moiré và sự tương tác giữa các nguyên tử lân cận trong siêu mạng này cho phép hình thành một khoảng trống. Nếu các lớp sau đó bị xoắn lại để chúng bị lệch hơn nữa thì tương tác mạng sẽ yếu đi và khoảng cách vùng cấm biến mất.

Để đạt được những thay đổi như vậy ở các vật liệu thông thường thường đòi hỏi các nhà khoa học phải thay đổi thành phần hóa học của vật liệu. Thay đổi góc xoắn giữa các lớp của vật liệu 2D là một cách tiếp cận hoàn toàn khác và các khả năng liên quan đã khởi đầu một lĩnh vực kỹ thuật thiết bị mới được gọi là điện tử xoắn. Vấn đề là khó kiểm soát các góc xoắn và nếu các khu vực khác nhau của mẫu có các góc xoắn phân bố không đều thì các đặc tính điện tử của mẫu sẽ thay đổi tùy theo vị trí. Điều này không hề lý tưởng cho các thiết bị hiệu suất cao, vì vậy các nhà nghiên cứu đang tìm cách để hình dung sự không đồng nhất đó một cách chính xác hơn.

Một phương pháp mới dựa trên sMIM

Trong tác phẩm mới, một nhóm do Hồng-Jun Gao và Shiyu Zhu của Viện Vật lý, Viện Khoa học Trung Quốc, đã điều chỉnh một phương pháp gọi là kính hiển vi trở kháng vi sóng quét (sMIM) được phát triển gần đây bởi Zhixun Shen và các đồng nghiệp tại Đại học Stanford tại Hoa Kỳ. Phương pháp được điều chỉnh bao gồm việc áp dụng một loạt điện áp cổng vào mẫu và phân tích sự dao động độ dẫn điện trong dữ liệu sMIM tại các vị trí khác nhau trong đó. Zhu giải thích: “Quy trình này cung cấp các điện áp cổng tương ứng với các khoảng trống dải moiré, biểu thị các dải điện tử được lấp đầy, trực tiếp tiết lộ các chi tiết về siêu mạng moiré và các góc xoắn cục bộ”.

Khi các nhà nghiên cứu thử nghiệm phương pháp này trên các mẫu graphene hai lớp xoắn chất lượng cao do các đồng nghiệp của họ chế tạo. Hồ Thiên Anh, Dương Húc và Hồ Gia Vệ, họ có thể phát hiện trực tiếp các biến thể của góc xoắn. Họ cũng thu thập thông tin về độ dẫn điện của các khu vực cục bộ và họ mô tả các trạng thái điện tử khác như trạng thái Hall lượng tử và chất cách điện Chern bằng cách áp dụng từ trường ngoài mặt phẳng. Zhu lưu ý: “Chúng tôi thực hiện các phép đo này đồng thời. “Điều này cho phép chúng tôi thu được trực tiếp thông tin trạng thái lượng tử trong các điều kiện góc xoắn cục bộ khác nhau.”

Ông cho biết thêm, kỹ thuật mới cho thấy những biến đổi rõ rệt ở các góc xoắn cục bộ khoảng 0.3° trên khoảng cách vài micron. Nó cũng cho phép nhóm nghiên cứu đo độ dẫn cục bộ, điều không thể thực hiện được bằng các phương pháp thay thế sử dụng bóng bán dẫn điện tử đơn để đo độ nén hoặc nanoSQUID để đo từ trường. Hơn nữa, đối với các mẫu graphene hai lớp xoắn được bao phủ bởi lớp BN cách điện, phương pháp mới này có ưu điểm đáng kể so với kính hiển vi quét đường hầm truyền thống, vì nó có thể xuyên qua lớp cách điện.

Khám phá các trạng thái lượng tử mới

Zhu cho biết: “Công trình của chúng tôi đã tiết lộ sự biến đổi góc xoắn cục bộ bên trong và giữa các miền của vật liệu hai chiều bị xoắn”. Thế giới vật lý. “Điều này đã giúp chúng tôi hiểu sâu hơn về trạng thái vi mô của mẫu, cho phép chúng tôi giải thích nhiều hiện tượng thực nghiệm được quan sát trước đây trong các phép đo 'lấy trung bình khối'. Nó cũng cung cấp một cách để khám phá các trạng thái lượng tử mới khó quan sát bằng phương pháp vĩ mô, mang lại những hiểu biết sâu sắc từ góc độ vi mô.”

Ruy băng graphene nâng cao công nghệ xoắn điện tử

Nhờ những phép đo này, sự không đồng đều của các góc xoắn cục bộ trong các vật liệu hai chiều bị xoắn sẽ không còn là trở ngại cho việc nghiên cứu các trạng thái lượng tử mới, ông cho biết thêm. “Thay vào đó, nhờ sự phân bố phong phú của các góc xoắn cục bộ mà chúng tôi đã quan sát được, giờ đây có thể so sánh đồng thời các trạng thái lượng tử khác nhau trong nhiều điều kiện góc xoắn cục bộ và điều kiện cấu trúc dải trong một mẫu duy nhất.”

Các nhà nghiên cứu hiện đặt mục tiêu mở rộng kỹ thuật của họ sang phạm vi rộng hơn các hệ thống xoắn và hệ thống moiré cấu trúc dị thể – ví dụ, trong các vật liệu như MoTe hai lớp xoắn₂ và WSe₂/WS₂. Họ cũng muốn tiến hành các phép đo lấy trung bình số lượng lớn và so sánh các kết quả này với các phép đo cục bộ bằng phương pháp mới của họ.