Vridende 2D-materialer afslører deres superkræfter

Todimensionelle (2-D) materialer, som består af et enkelt lag af atomer, har tiltrukket sig stor opmærksomhed siden isoleringen af ​​grafen i 2004. De har unikke elektriske, optisk, og mekaniske egenskaber, som høj ledningsevne, fleksibilitet og styrke, hvilket gør dem til lovende materialer til ting som lasere, solcelleanlæg, sensorer og medicinske applikationer.

Når et ark 2-D-materiale placeres over et andet og let roteres, vridningen kan radikalt ændre dobbeltlagsmaterialets egenskaber og føre til eksotisk fysisk adfærd, såsom højtemperatursuperledningsevne - udgår for elektroteknik; ikke-lineær optik - spændende til lasere og datatransmission; og strukturel super-smøreevne - en nyopdaget mekanisk egenskab, som forskerne først er begyndt at forstå. Studiet af disse egenskaber har født et nyt forskningsfelt kaldet twistronics, såkaldt, fordi det er en kombination af twist og elektronik.

Aalto Universitetets forskere, der samarbejder med internationale kolleger, har nu udviklet en ny metode til at lave disse snoede lag på skalaer, der er store nok til at være nyttige, for første gang. Deres nye metode til at overføre enkeltatomslag af molybdændisulfid (MoS2) giver forskere mulighed for præcist at kontrollere snoningsvinklen mellem lag med op til en kvadratcentimeter i areal, hvilket gør den til rekord i størrelse. Styring af mellemlagsvridningsvinklen i stor skala er afgørende for fremtidige praktiske anvendelser af twistronics.

"Vores demonstrerede twist-metode giver os mulighed for at tune egenskaberne af stablede flerlags MoS2-strukturer i større skalaer end nogensinde før. Overførselsmetoden kan også gælde for andre todimensionelle lagdelte materialer, " siger Dr. Luojun Du fra Aalto University, en af ​​værkets hovedforfattere.

Et væsentligt fremskridt for et helt nyt forskningsfelt

Siden twistronics-forskning først blev introduceret i 2018, Grundforskning er stadig nødvendig for at forstå egenskaberne af snoede materialer bedre, før de finder deres veje til praktiske anvendelser. Ulveprisen i fysik, en af ​​de mest prestigefyldte videnskabelige priser, blev tildelt Profs. Rafi Bistritzer, Pablo Jarillo-Herrero, og Allan H. MacDonald i år for deres banebrydende arbejde med twistronics, hvilket indikerer det nye felts spilskiftende potentiale.

Tidligere forskning har vist, at det er muligt at fremstille den nødvendige vridningsvinkel ved hjælp af overføringsmetode eller manipulationsteknikker med atomkraftmikroskop i små skalaer. Prøvestørrelsen har normalt været i størrelsesordenen ti mikron, mindre end størrelsen af ​​et menneskehår. Større få-lags film er også blevet fremstillet, men deres mellemlags snoningsvinkel er tilfældig. Nu kan forskerne dyrke store film ved hjælp af en epitaksial vækstmetode og vandassistentoverførselsmetode.

"Da ingen polymer er nødvendig under overførselsprocessen, grænsefladerne i vores prøve er relativt rene. Med kontrol af vridningsvinkel og ultra-rene grænseflader, vi kunne justere de fysiske egenskaber, herunder lavfrekvente mellemlagstilstande, båndstruktur, og optiske og elektriske egenskaber, " siger Du.

"Ja, arbejdet er af stor betydning for at vejlede fremtidige anvendelser af twistronics baseret på 2-D materialer, " tilføjer professor Zhipei Sun fra Aalto University.

Resultaterne blev offentliggjort i Naturkommunikation .