Unormal ledningsevne i lav vinkel snoet dobbeltlags grafen

Materialeforskere kan kontrollere mellemlagsvridningsvinklen af ​​materialer for at tilbyde en kraftfuld metode til at tune elektroniske egenskaber af todimensionelle (2-D) van der Waals materialer. I sådanne materialer, den elektriske ledningsevne vil stige monotont (konstant) med den faldende vridningsvinkel på grund af forbedret kobling mellem tilstødende lag. I en ny rapport, Shuai Zhang og et team af videnskabsmænd i funktionelle materialer, ingeniørarbejde, nanosystemer og tribologi, i Kina, beskrev en opsætning til ikke-monotonisk vinkelafhængig vertikal ledningsevne på tværs af grænsefladen af ​​dobbeltlagsgrafen indeholdende lave snoningsvinkler. Den lodrette ledningsevne øges gradvist med den faldende vridningsvinkel, imidlertid, efter yderligere formindskelse af vridningsvinklen, materialets ledningsevne faldt markant. Forskerne afslørede den unormale adfærd ved hjælp af density functional theory (DFT) beregninger og scanning tunneling microscopy (STM) og krediterede resultatet til den usædvanlige reduktion i den gennemsnitlige bærertæthed, der stammer fra lokale atomare rekonstruktioner. Atomrekonstruktion kan forekomme på grund af samspillet mellem van der Waals interaktionsenergi og den elastiske energi ved grænsefladen, fører til spændende strukturer. Indvirkningen af ​​atomar rekonstruktion var signifikant på vertikal ledningsevne for lav vinkel, snoede 2-D van der Waals materialer; leverer en ny strategi til at designe og optimere deres elektroniske ydeevne.

Tuning af de elektroniske egenskaber af 2-D materialer

Materialeforskere har demonstreret metoder til at variere mellemlagsvridningsvinklen for at give en effektiv strategi til at tune elektroniske egenskaber af van der Waals-strukturer. Nylige eksperimenter har afsløret, hvordan mellemlagsledningsevnen af ​​2-D van der Waals-strukturer såsom grafen/grafen eller grafen/grafitforbindelser faldt monotont med en stigende snoningsvinkel. Forskere kan forklare en sådan monoton vinkelafhængig mellemlagsledningsevne ved hjælp af en fonon-medieret mellemlagstransportmekanisme. Bortset fra mellemlags ledningsevne, den vertikale ledningsevne kan undersøges ved hjælp af konduktans atomkraftmikroskopi (c-AFM), hvor resultaterne viste lignende tendenser for forskellige 2-D materialer med et stort twist system. Nylige undersøgelser af lavvinklet snoet dobbeltlagsgrafen (TBG) havde vist virkningerne af konkurrerende van der Waals-interaktioner og in-planelasticitet, der påvirker den lokale atomare-skala rekonstruktion af grafen, at afsløre ukonventionelle elektroniske egenskaber såsom superledning, korrelerede isolatorer og spontan ferromagnetisme. Det er derfor videnskabeligt spændende at undersøge den vertikale ledningsevne af snoet dobbeltlagsgrafen (TBG) og forstå, hvordan det udvikler sig med snoningsvinklen.

Under forsøgene, Zhang et al. brugte en tyk hexagonal bornitrid (h-BN) flage som substrat og dyrkede tolagsgrafen ved hjælp af kemisk dampaflejring. I disse prøver, det nederste lag af grafen dannede en kontinuerlig polykrystallinsk film, mens det øverste lag af grafen forblev en enkelt-krystal grafen-ø. Denne unikke prøvestruktur tillod dem at undersøge et stort antal snoede dobbeltlagsgrafendomæner med en bred vifte af snoningsvinkler. Under ledende AFM-målinger, holdet påførte en konstant forspænding mellem den ledende sonde og filmen for kontinuerligt at overvåge strømmen i opsætningen. Med den faldende vridningsvinkel, forskerne bemærkede et fald i vertikal ledningsevne af snoet dobbeltlagsgrafen, et tydeligt anderledes træk fra den monotone vinkelafhængige ledningsevne observeret i tidligere undersøgelser.

Udforskning af den unormale drejningsvinkelafhængighed i snoet dobbeltlagsgrafen (TBG)

For at udforske denne usædvanlige funktion, Zhang et al. udførte målinger på flere TBG-prøver. Når vridningsvinklen faldt fra 120 grader til fem grader, ledningsevnen af ​​TBG steg gradvist, i overensstemmelse med tidligere rapporter. Når vridningsvinklen faldt til under fem grader, imidlertid, holdet bemærkede den usædvanlige reduktion i ledningsevnen. For at udelukke indflydelsen af ​​det hexagonale bornitridsubstrat, de overførte monolaget grafen til overfladen af ​​grafit med en kontrollerbar lav snoningsvinkel, og målte den vertikale ledningsevne ved hjælp af c-AFM (conductive atomic force microscopy), at observere et lignende usædvanligt resultat. Holdet udførte derefter ledningsevnemålinger med finere opløsning for at undersøge oprindelsen af ​​det unormale fald i ledningsevnen, når snoningsvinklerne var under fem grader.

For at forstå kompleksiteten, de karakteriserede moiré- og sub-moiré-skalastrukturerne med højere opløsning ved hjælp af STM (scanning tunneling microscopy) eksperimenter på snoede dobbeltlagsgrafenprøver med lave snoningsvinkler (spænder fra 0,6 grader, 1,1 grader til 3,3 grader). Moiré-supergitterne er strukturer fremstillet af 2-D-lag stablet med en snoningsvinkel og/eller gitter-mismatch. Ifølge STM-målingerne, den lokale tæthed af tilstande på overfladen af ​​snoet dobbeltlagsgrafen faldt, når snoningsvinklen reduceredes fra 3,3 grader til 0,6 grader. Tolagsgrafen er et halvmetal, der kan adoptere den såkaldte "AB-stablede struktur" eller den sjældne "AA-stablede struktur" - som forudsiges at være meget forskellige fra hinanden. I dette tilfælde, regionen med lav og høj ledningsevne i snoet dobbeltlagsgrafen svarede omtrent til de AB-/BA- og AA-stablede regioner, henholdsvis.

Teoretiske beregninger

Zhang et al. udførte også teoretiske beregninger for at forstå, hvordan moiré-supergitterstrukturen og lokal rekonstruktion førte til unormal vertikal ledningsevne. I alle tilfælde, de AA-stablede områder viste bedre ledningsevne sammenlignet med de AB-sackede regioner. Holdet kvantificerede variationen af ​​ledningsevne med vridningsvinklerne, via simuleringer, at gengive de eksperimentelle observationer. Forskerne undersøgte også grafen-grafen-mellemlagets ledningsevne for at forstå oprindelsen af ​​crossover-adfærd. Ved at bruge DFT (density functional theory) beregninger, de fandt tilstedeværelsen af ​​AA-stablede områder for at øge den lokale bærertæthed, dette fænomen opstod på grund af højere lokal transportørakkommodation i det AA-stablede område i moiré-supergitterstrukturen.

Outlook

På denne måde den vertikale transportegenskab af snoet dobbeltlagsgrafen (TBG) kunne bestemmes af to faktorer:inklusive overfladebærertæthed og mellemlags tunnelbarrieren. Den høje bærertæthed og den lave tunnelbarriere var begge afgørende for høj ledningsevne. Shuai Zhang og kolleger brugte TBG som et eksempel og fandt, at den vertikale ledningsevne af van der Waals heterostrukturer udviser en ikke-monotonisk afhængighed af vridningsvinklen. Når vridningsvinklen nåede en tærskelværdi under 5 grader, den vertikale ledningsevne faldt unormalt på grund af et bemærkelsesværdigt fald i bærertætheden. Resultaterne understregede indflydelsen af ​​atomar rekonstruktion på vertikal ledningsevne i 2-D grænseflader. Værket tilbyder vejledning til at optimere den elektriske ydeevne af snoet dobbeltlagsgrafen og andre 2-D van der Waals strukturer inden for optoelektronik.

© 2020 Science X Network