Ruy băng graphene thúc đẩy điện tử học xoắn – Vật lý Thế giới

Các dải băng graphene, thay vì các hình vuông, có thể tạo ra một nền tảng tốt hơn cho việc thăm dò các hiệu ứng điện tử bất thường phát sinh từ việc xoắn và làm căng các lớp vật liệu hai chiều (2D) liền kề. Đây là phát hiện của các nhà khoa học ở Mỹ, Đan Mạch, Pháp và Nhật Bản, những người có cách tiếp cận khác biệt đáng kể so với các nghiên cứu “xoắn điện tử” trước đó tập trung vào việc xoắn hai mảnh vật liệu đối với nhau rồi xếp chúng lại với nhau. Theo nhóm nghiên cứu, kỹ thuật dựa trên dải băng mới có thể giúp các nhà nghiên cứu kiểm soát tốt hơn góc xoắn, giúp nghiên cứu các hiệu ứng điện tử dễ dàng hơn.

Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng họ có thể thay đổi tính chất điện tử của vật liệu 2D bằng cách xếp chồng các lớp vật liệu này lên nhau và thay đổi góc giữa chúng. Ví dụ, một lớp graphene kép thường không có khe cấm, nhưng nó phát triển một khe hở khi đặt tiếp xúc với một vật liệu 2D khác, boron nitride lục giác (hBN).

Sự thay đổi này xảy ra 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 hoàn toàn như vậy. 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 khoảng cách dải. Sau đó, nếu các lớp bị xoắn lại để chúng bị lệch hơn nữa và góc giữa chúng trở nên lớn thì khoảng cách dải sẽ biến mất. Tương tự, bản thân graphene có thể được điều chỉnh từ bán kim loại đến bán dẫn và thậm chí siêu dẫn tùy thuộc vào góc giữa các lớp graphene riêng lẻ.

Để đạt được các đặc tính điện tử đa dạng này trong các vật liệu thông thường, các nhà khoa học thường cần thay đổi thành phần hóa học của chúng bằng cách đưa vào các chất tạp chất hoặc các tạp chất có chủ ý. Do đó, có thể thực hiện điều này trong vật liệu 2D chỉ bằng cách thay đổi góc xoắn giữa các lớp là một hướng đi mới về cơ bản trong kỹ thuật thiết bị và được mệnh danh là “điện tử xoắn”.

Vấn đề là khó kiểm soát các góc xoắn và biến dạng liên quan, nghĩa là các vùng khác nhau của mẫu có thể có các đặc tính điện tử khác nhau một cách bất tiện. Trong công việc mới nhất, một nhóm do Trưởng khoa Cory of Đại học Columbia ở Mỹ đã khắc phục được vấn đề này bằng cách đặt một lớp graphene hình dải băng (chứ không phải một vảy hình vuông như thường lệ) lên trên một lớp hBN và từ từ uốn cong một đầu của dải băng bằng kính hiển vi lực nguyên tử áp điện. Cấu trúc thu được có góc xoắn thay đổi liên tục từ điểm mà dải ruy băng bắt đầu uốn cong cho đến hết điểm cuối của nó. Và thay vì những biến đổi không kiểm soát được về độ biến dạng, mẫu hiện có cấu hình biến dạng đồng nhất có thể được dự đoán đầy đủ bằng hình dạng ranh giới của dải băng uốn cong.

Duy trì độ dốc góc và biến dạng

Trong các thí nghiệm của họ, được trình bày chi tiết trong Khoa họcDean và các đồng nghiệp đã uốn cong một trong các lớp graphene thành hình giống như một vòm hình bán nguyệt. Sau đó, họ đặt lớp này lên trên lớp thứ hai, không uốn cong. Dean giải thích: “Khi được đặt cùng nhau theo cách này, chúng tôi cố tình tạo ra một gradient góc dọc theo cung và một gradient biến dạng trên cung”. “Chúng tôi nhận thấy rằng thay vì cho phép những dao động ngẫu nhiên về góc xoắn hoặc độ biến dạng cục bộ, hai lớp kết hợp sẽ duy trì độ dốc góc và độ biến dạng mà chúng tôi truyền đạt trong quá trình uốn.”

Tuy nhiên, việc uốn dải băng graphene không hề dễ dàng. Các nhà nghiên cứu đã quản lý nó bằng cách trước tiên cắt một dải ruy băng từ một mảnh graphene lớn hơn bằng quy trình dựa trên kính hiển vi lực nguyên tử (AFM). Tiếp theo, họ chế tạo một “thanh trượt” riêng biệt từ một miếng than chì khối lớn, nhiều lớp, bao gồm một đĩa tròn được chế tạo có tay cầm ở vành ngoài. Thanh trượt này sau đó được định vị ở một đầu của dải băng và được đẩy ngang qua nó bằng cách sử dụng đầu đầu AFM. Dean giải thích: “Thanh trượt có thể được điều khiển bằng đầu AFM và được tháo ra sau khi dải băng được uốn thành hình.

Đặc điểm chính của quy trình này là ma sát bề mặt của dải băng graphene tương đối thấp khi đặt trên hBN, nghĩa là nó có thể bị uốn cong dưới tải nhưng vẫn đủ cao để cho phép dải băng giữ được hình dạng uốn cong khi tải được giải phóng.

Mức độ uốn cong của dải băng tùy thuộc vào chiều dài và chiều rộng của dải băng cũng như lực tác động lên phần cuối của dải băng bởi đầu AFM. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng những dải ruy băng dài và hẹp (nghĩa là những dải ruy băng có tỷ lệ khung hình lớn) là loại dễ uốn cong nhất một cách có kiểm soát.

“Quyền truy cập chưa từng có vào sơ đồ pha góc xoắn”

Dean cho biết, việc có thể liên tục điều chỉnh cả góc biến dạng và góc xoắn sẽ mang lại cho các nhà nghiên cứu khả năng tiếp cận chưa từng có vào “sơ đồ pha” của các góc xoắn. Thế giới vật lý. “Cấu trúc dải điện tử của lớp kép xoắn cực kỳ nhạy cảm với góc xoắn, ví dụ như 'góc ma thuật' được xác định chỉ bằng 1.1/XNUMX độ XNUMX°. Việc xoắn chậm và có thể kiểm soát được có nghĩa là chúng tôi có thể ánh xạ sự phụ thuộc này trong một thiết bị duy nhất tới độ chính xác mà trước đây không thể có được.”

Làm cho dải nano graphene ổn định

Và đó chưa phải là tất cả: vì vai trò của lực căng đối với các hệ graphene hai lớp góc ma thuật gần như hoàn toàn chưa được biết đến trên thực nghiệm, nên kỹ thuật mới mang lại cơ hội đầu tiên để đo nó theo cách có thể tái tạo. Dean nói: “Về mặt kỹ thuật, ý tưởng cho rằng việc giới thiệu một gradient biến dạng có thể giúp ngăn chặn các biến thể góc xoắn ngẫu nhiên là một điều ngạc nhiên không ngờ đối với chúng tôi”. “Điều này mở ra những ý tưởng thú vị về cách tương tác giữa kỹ thuật biến dạng và các biến thể góc được kiểm soát theo không gian để giành quyền kiểm soát hơn nữa cấu trúc dải điện tử trong các hệ thống lớp xoắn.”

Đội Columbia hiện đang lập sơ đồ pha góc biến dạng xung quanh phạm vi góc ma thuật trong graphene hai lớp xoắn bằng cách sử dụng kết hợp quang phổ đầu dò quét và vận chuyển. Các nhà nghiên cứu cũng đang tìm hiểu xem liệu họ có thể áp dụng kỹ thuật này cho các hệ thống vật liệu 2D khác hay không. Ví dụ, trong chất bán dẫn, sự uốn cong có thể dẫn hướng và tạo phễu kích thích (cặp lỗ điện tử), trong khi ở các hệ thống từ tính 2D, nó có thể được sử dụng để tạo ra các kết cấu từ tính bất thường. Dean tiết lộ: “Cuối cùng, chúng tôi đang khám phá những cách để đạt được khả năng uốn cong thông qua phương pháp tĩnh điện hoặc phi cơ học khác”. “Những thứ này có thể cho phép điều khiển động tại chỗ góc xoắn trong các hệ thống hai lớp.”

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
• PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
• Trung tâmESG. Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
• PlatoSức khỏe. Tình báo thử nghiệm lâm sàng và công nghệ sinh học. Truy cập Tại đây.
• BlockOffsets. Hiện đại hóa quyền sở hữu bù đắp môi trường. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://physicsworld.com/a/graphene-ribbons-advance-twistronics/