1 + 1 er ikke lig med 2 for grafenlignende 2-D materialer

Fysikere fra University of Sheffield har opdaget, at når to atomisk tynde grafenlignende materialer placeres oven på hinanden, ændres deres egenskaber, og et materiale med nye hybridegenskaber dukker op, baner vejen for design af nye materialer og nano-enheder.

Dette sker uden fysisk at blande de to atomlag, heller ikke gennem en kemisk reaktion, men ved at fastgøre lagene til hinanden via en svag såkaldt van der Waals-interaktion - svarende til hvordan en klæbrig tape hæfter til en flad overflade.

I den banebrydende undersøgelse offentliggjort i Natur , Forskere har også fundet ud af, at egenskaberne af det nye hybridmateriale kan kontrolleres præcist ved at vride de to stablede atomlag, åbner vejen for brugen af ​​denne unikke grad af frihed til kontrol af kompositmaterialer og nano-enheder i nanoskala i fremtidige teknologier.

Ideen om at stable lag af forskellige materialer for at lave såkaldte heterostrukturer går tilbage til 1960'erne, da halvleder galliumarsenid blev undersøgt til fremstilling af miniaturelasere - som nu er meget brugt.

I dag, heterostrukturer er almindelige og bruges meget bredt i halvlederindustrien som et værktøj til at designe og kontrollere elektroniske og optiske egenskaber i enheder.

Senere i æraen med atomisk tynde todimensionelle (2-D) krystaller, såsom grafen, nye typer af heterostrukturer er dukket op, hvor atomisk tynde lag holdes sammen af ​​relativt svage van der Waals-kræfter.

De nye strukturer med tilnavnet 'van der Waals heterostrukturer' åbner et enormt potentiale for at skabe adskillige 'meta'-materialer og nye enheder ved at stable et vilkårligt antal atomisk tynde lag sammen. Hundredvis af kombinationer bliver mulige ellers utilgængelige i traditionelle tredimensionelle materialer, potentielt give adgang til ny uudforsket optoelektronisk enhedsfunktionalitet eller usædvanlige materialeegenskaber.

I undersøgelsen brugte forskere van der Waals heterostrukturer lavet af såkaldte transition metal dichalcogenides (TMD'er), en bred familie af lagdelte materialer. I deres tredimensionelle bulkform ligner de noget grafit - det materiale, der bruges i blyantledninger - hvorfra grafen blev udvundet som et enkelt 2-D atomlag af kulstof.

Forskerne fandt ud af, at når to atomisk tynde halvledende TMD'er kombineres i en enkelt struktur, hybridiserer deres egenskaber.

Professor Alexander Tartakovskii, fra Institut for Fysik og Astronomi ved University of Sheffield, sagde:"Materialerne påvirker hinanden og ændrer hinandens egenskaber, og skal betragtes som et helt nyt 'meta'-materiale med unikke egenskaber - så én plus én bliver ikke til to.

"Vi finder også, at graden af ​​en sådan hybridisering er stærkt afhængig af drejningen mellem de individuelle atomgitre i hvert lag.

"Vi finder ud af, at når man vrider lagene, den nye supraatomare periodicitet opstår i heterostrukturen - kaldet et moiré-supergitter.

"Moiré supergitteret, med perioden afhængig af snoningsvinklen styrer, hvordan egenskaberne af de to halvledere hybridiserer."

I andre undersøgelser, lignende virkninger er blevet opdaget og studeret mest i grafen, det 'stiftende' medlem af 2-D-materialefamilien. Den seneste undersøgelse viser, at andre materialer, især halvledere såsom TMD'er, viser stærk hybridisering, der desuden kan styres af vridningsvinklen.

Forskere mener, at undersøgelsen viser et stort potentiale for at skabe nye typer materialer og enheder.

Professor Tartakovskii tilføjede:"Det mere komplekse billede af interaktion mellem atomisk tynde materialer inden for van der Waals heterostrukturer dukker op. Dette er spændende, da det giver mulighed for at få adgang til et endnu bredere udvalg af materialeegenskaber, såsom usædvanlig og vrid-justerbar elektrisk ledningsevne og optisk respons, magnetisme osv. Dette kunne og vil blive brugt som nye frihedsgrader ved design af nye 2-D-baserede enheder."

Forskere vil gerne lave yderligere undersøgelser for at udforske flere materialekombinationer for at se, hvad den nye metodes muligheder er.