Bryde (og gendanne) grafenes symmetri i en vridbar elektronisk enhed

En nylig undersøgelse fra laboratorierne fra James Hone (maskinteknik) og Cory Dean (fysik) viser en ny måde at justere egenskaberne ved todimensionale (2-D) materialer ved blot at justere vridningsvinklen mellem dem. Forskerne byggede enheder bestående af monolag grafen indkapslet mellem to krystaller af bornitrid og, ved at justere den relative vridningsvinkel mellem lagene, de var i stand til at skabe flere moiré -mønstre.

Moiré -mønstre har stor interesse for kondensaterede fysikere og materialeforskere, der bruger dem til at ændre eller generere nye elektroniske materialegenskaber. Disse mønstre kan dannes ved at tilpasse bornitrid (BN, en isolator) og grafen (et halvmetal) krystaller. Når disse bikagergitter af atomer er tæt på at justere, de skaber en moiré supergitter, et interferensmønster i nanoskala, der også ligner en bikage. Denne moiré supergitter ændrer det kvantemekaniske miljø for de ledende elektroner i grafen, og kan derfor bruges til at programmere betydelige ændringer i grafens observerede elektroniske egenskaber.

Til dato, de fleste undersøgelser af virkningerne af moiré-supergitter i grafen-BN-systemer har set på en enkelt grænseflade (med enten den øverste eller nederste overflade af grafen taget i betragtning, men ikke begge dele). Imidlertid, en undersøgelse udgivet af Hone og Dean sidste år viste, at total rotationskontrol over en af ​​de to grænseflader var mulig inden for en enkelt enhed.

Ved at designe en enhed, der har vedvarende justering på en grænseflade, og indstillelig justering på den anden, Columbia -teamet har nu været i stand til at studere virkningerne af flere moiré -supergitterpotentialer på et lag grafen.

"Vi besluttede at se på både toppen og bunden af ​​grafen i en enkelt nanomekanisk enhed, "sagde Nathan Finney, en ph.d. studerende i Hones laboratorium og medlederforfatter af papiret, udgivet online 30. september af Naturnanoteknologi og nu omslagshistorien om novemberudgaven. "Vi havde en anelse om, at ved at gøre det, vi ville potentielt kunne fordoble styrken af ​​moiré -supergitteret ved hjælp af de sameksisterende moiré -supergitter fra de øverste og nederste grænseflader. "

Teamet opdagede, at vridning af lagets vinkel gjorde det muligt for dem at kontrollere både styrken af ​​moiré -supergitteret og dets generelle symmetri, udledes af de betydelige ændringer i de observerede grafens elektroniske egenskaber.

I vinkler tæt på justering, en stærkt ændret grafenbåndstruktur dukkede op, observeres i dannelsen af ​​sameksisterende ikke-overlappende moiré-mønstre med lang bølgelængde. Ved perfekt tilpasning, grafenets elektroniske huller blev enten stærkt forstærket eller undertrykt, afhængigt af om den øverste roterbare BN var snoet 0 eller 60 grader. Disse ændringer i de elektroniske huller svarede til de forventede ændringer i symmetri for de to justeringskonfigurationer - inversionssymmetri brudt ved 0 grader, og inversionssymmetri genoprettet ved 60 grader.

"Dette er første gang, nogen har set den fulde rotationsafhængighed af sameksisterende moiré -supergitter i en enhed, "Finney notes." Denne grad af kontrol over symmetrien og styrken af ​​moiré superlattices kan anvendes universelt på den fulde opgørelse af 2-D materialer, vi har til rådighed. Denne teknologi muliggør udvikling af nanoelektromekaniske sensorer med applikationer inden for astronomi, medicin, Søg og Red, og mere."

Forskerne forfinerer nu muligheden for at vride monolag af en lang række 2-D-materialer for at studere eksotiske effekter som superledning, topologisk induceret ferromagnetisme, og ikke-lineær optisk respons i systemer, der mangler inversionssymmetri.