Columbia University forskere har demonstreret evnen til at finjustere det elektroniske, mekanisk, og optiske egenskaber af 2D heterostrukturer som grafen på bornitrid ved at variere vinklen mellem krystallerne i realtid. Kredit:Philip Krantz/Krantz NanoArt
Todimensionelle (2-D) materialer såsom grafen har unikke elektroniske, magnetiske, optisk, og mekaniske egenskaber, der lover at drive innovation på områder fra elektronik til energi til materialer til medicin. Columbia University-forskere rapporterer om et stort fremskridt, der kan revolutionere feltet, en "twistronic" enhed, hvis karakteristika kan varieres ved blot at variere vinklen mellem to forskellige 2-D lag placeret oven på hinanden.
I et papir offentliggjort online i dag i Videnskab , holdet demonstrerer en ny enhedsstruktur, der ikke kun giver dem hidtil uset kontrol over vinkelorienteringen i enheder med snoet lag, men giver dem også mulighed for at variere denne vinkel in situ, så virkningerne af vridningsvinkel på elektronisk, optisk, og mekaniske egenskaber kan studeres i en enkelt enhed.
Ledet af Cory Dean (fysik, Columbia University) og James Hone (mekanikteknik, Columbia Engineering), holdet byggede på teknikker, som de tidligere var banebrydende for at mekanisk lagde grafen og andre 2-D materialer, den ene oven på den anden, at danne nye strukturer. "Denne mekaniske samlingsproces giver os mulighed for at blande og matche forskellige krystaller for at konstruere helt nye materialer, ofte med egenskaber, der er fundamentalt forskellige fra de konstituerende lag, " siger Hone, leder af Columbias Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC), som undersøger disse heterostrukturers egenskaber. "Med hundredvis af tilgængelige 2D-materialer, designmulighederne er enorme."
Nylige undersøgelser har vist, at rotationsjustering mellem lagene spiller en kritisk vigtig rolle for at bestemme de nye egenskaber, der opstår, når materialer kombineres. For eksempel, når ledende grafen placeres oven på isolerende bornitrid med krystalgitrene perfekt justeret, grafen udvikler et båndgab. Ved vinkler, der ikke er nul, båndgabet forsvinder, og iboende grafenegenskaber genvindes. Netop i marts sidste år, forskere ved MIT rapporterede den banebrydende opdagelse, at to stablede lag af grafen kan udvise eksotiske egenskaber, herunder superledning, når snoningsvinklen mellem dem er sat til 1,1 grader, omtalt som den "magiske vinkel".
I tidligere tilgange til fremstilling af strukturer med rotationsmæssigt fejljusterede lag, vinklen blev indstillet under monteringsprocessen. Dette betød, at når først enheden blev lavet, dens egenskaber blev fastlagt. "Vi fandt denne tilgang frustrerende, da meget små fejl i tilpasningen kunne give helt andre resultater, " siger Dean. "Det ville være fantastisk at lave en enhed, hvor vi kunne studere dens egenskaber, mens vi konstant roterer dens lag, og så var spørgsmålet, hvordan gør man dette?"
Svaret, Columbia-forskerne indså, var at drage fordel af den lave friktion, der eksisterer ved grænsefladen mellem lagene, som holdes sammen af van der Waals-kræfter, der er meget svagere end atombindingerne i hvert lag. Denne lave friktion - som gør 2-D-materialer meget gode som faste smøremidler - gør kontrolleret samling i en ønsket vinkel meget vanskelig. Columbia-gruppen brugte lavfriktionskarakteristikken til deres fordel ved at designe en enhedsstruktur, hvor i stedet for at forhindre rotation, de kunne bevidst og kontrollerbart variere rotationsvinklen.
Holdet brugte grafen/bor-nitrid-heterostrukturer til at demonstrere rækkevidden af deres teknik. I disse strukturer, når lagene ikke er krystallografisk justeret, materialerne bevarer deres oprindelige egenskaber (f.eks. grafen vil have en semi-metallisk karakter), men når lagene er justeret, egenskaberne af grafen ændrer sig, åbne et energigab og opføre sig som en halvleder. Forskerne viste, at denne finjustering af heterostrukturens egenskaber påvirker dens optiske, mekanisk, og elektroniske svar.
"I særdeleshed, vi demonstrerede, at energigabet observeret i grafen kan indstilles og kan tændes eller slukkes efter behov blot ved at ændre orienteringen mellem lagene, " siger Rebeca Ribeiro, der ledede dette arbejde som post-doc forsker ved Columbia og er nu CNRS-forsker ved det franske center for nanovidenskab og nanoteknologi (C2N-CNRS). "Justeringen af dette energigab repræsenterer ikke kun et stort skridt mod den fremtidige brug af grafen i forskellige applikationer, men giver også en generel demonstration, hvor enhedsegenskaberne af 2-D materialer varieres dramatisk med rotation "
Fra et teknologisk synspunkt, evnen til at justere egenskaberne af et lagdelt materiale ved at variere vridningsvinklen giver mulighed for, at en enkelt materialeplatform kan udføre en række funktioner. For eksempel, elektroniske kredsløb er bygget af et begrænset antal komponenter, herunder metalliske ledere, isolatorer, halvledere, og magnetiske materialer. Denne proces kræver integration af en række forskellige materialer og kan udgøre en betydelig teknisk udfordring. I modsætning, et enkelt materiale, der lokalt kan "snoes" for at realisere hver af disse komponenter kunne muliggøre betydelige nye tekniske muligheder.
Ud over, evnen til dynamisk at tune et system med mekanisk vridning tilbyder en ny switch-funktion, der kunne muliggøre helt nye enhedsapplikationer. For eksempel, traditionelle kontakter varierer typisk mellem to veldefinerede tilstande (til eller fra, magnetisk eller ej, etc.). Columbia-platformen kunne give mulighed for at skifte mellem et vilkårligt antal komplementære stater.
Dean og Hone bruger nu deres nye teknik til at studere andre kombinationer af 2-D materialer, hvor egenskaberne kan tunes ved vinkeljustering. De ser især på den nylige opdagelse af superledning i snoet dobbeltlagsgrafen og undersøger, om det kan være et generelt træk ved snoede dobbeltlag lavet af vilkårlige 2-D materialer.
Dean tilføjer, "Vores undersøgelse viser en ny grad af frihed, nemlig rotationsorientering mellem lag, som bare ikke findes i konventionelle halvleder-heterostrukturer. Dette er en sjælden lejlighed i halvlederområdet, hvor vi virkelig går en ny vej, og åbner døren til et helt nyt forskningsfelt, hvor materialeegenskaber kan varieres blot ved at vride strukturen."
Undersøgelsen har titlen "Vridbar elektronik med dynamisk roterbare heterostrukturer."
Sidste artikelForskere opdager, hvorfor sølvklynger udsender lys
Næste artikelFleksible farveskærme med mikrofluidik