Finjustering af twist mellem 2-D materialer i van der Waals heterostrukturer for at hjælpe med at accelerere næste generations elektronik

En gruppe internationale forskere ved University of Manchester har afsløret en ny metode, der kunne finjustere vinklen - "twist" - mellem atomtynde lag, der danner eksotiske menneskeskabte nanoenheder kaldet van der Waals heterostrukturer - og hjælpe med at accelerere den næste generation af elektronik. .

Den nye teknik kan opnå in situ dynamisk rotation og manipulation af 2D-materialer lagt oven på hinanden for at danne van der Waals heterostrukturer - nanoskalaenheder, der kan prale af usædvanlige egenskaber og spændende nye fænomener, forklarede teamleder professor Mishchenko.

Tuning af snoningsvinklen styrer topologien og elektroninteraktionerne i 2-D materialer - og sådan en proces, benævnt 'twistronics', er et stigende forskningsemne i fysik i de senere år. Den nye Manchester-ledede undersøgelse vil blive offentliggjort i Videnskabens fremskridt i dag.

"Vores teknik muliggør snoede van der Waals heterostrukturer med dynamisk indstillelig optisk, mekanisk, og elektroniske egenskaber." forklarede Yaping Yang, hovedforfatteren til dette værk.

Yaping Yang tilføjede:"Denne teknik, for eksempel, kunne bruges i autonom robotmanipulation af todimensionelle krystaller til at bygge van der Waals supergitter, som ville tillade nøjagtig positionering, rotation, og manipulation af 2-D materialer for at fremstille materialer med ønskede vridningsvinkler, at finjustere elektroniske og kvanteegenskaber af van der Waals materialer."

Vridning af lag af 2-D krystaller i forhold til hinanden resulterer i dannelsen af ​​et moiré-mønster, hvor gitter af de overordnede 2-D krystaller danner et supergitter. Dette supergitter kan fuldstændig ændre elektronernes adfærd i systemet, fører til observation af mange nye fænomener, inklusive stærke elektronkorrelationer, fraktal kvante Hall effekt, og superledningsevne.

Holdet demonstrerede denne teknik ved succesfuldt at fremstille heterostrukturer, hvor grafen er perfekt justeret med både top- og bundindkapslende lag af sekskantet bornitrid - kaldet "hvid grafen" - hvilket skaber dobbelte moiré-supergitter ved de to grænseflader.

Som offentliggjort i Videnskabens fremskridt , teknikken er medieret af et polymerresistplaster på mål 2-D krystaller og en polymer gel manipulator, som præcist og dynamisk kan styre rotationen og positioneringen af ​​2-D materialer.

"Vores teknik har potentialet til at bringe twistronics ind i kryogene målesystemer, for eksempel, ved at bruge mikromanipulatorer eller mikro-elektromekaniske enheder" tilføjede Artem Mishchenko.

Forskerne brugte et objektglas med en dråbe polydimethylsiloxan (PDMS) som en manipulator, som er hærdet og naturligt formet til en halvkuglegeometri. I mellemtiden, de afsatte med vilje et epitaksialt polymethylmethacrylat (PMMA) plaster oven på en mål 2-D krystal gennem en standard elektronstrålelitografi.

Trinnene til at manipulere målflager i en heterostruktur er lette at følge. Ved at sænke polymergelhåndtaget ned, PDMS-halvkugle bringes i kontakt med PMMA-plasteret. Når de rører hinanden, man kan nemt flytte eller rotere mål 2-D krystallerne på overfladen af ​​bundflagen. En sådan jævn bevægelse af 2-D flagerne er baseret på supersmøreevnen mellem de to krystallinske strukturer.

Supersmøreevne er et fænomen, hvor friktionen mellem atomare flade overflader forsvinder afhængigt af visse forhold.

Manipulationsteknikken muliggør kontinuerlig justering af snoningsvinklen mellem lagene selv efter heterostruktursamlingen. Man kan designe det epitaksiale PMMA-plaster i en vilkårlig form efter behov, tager normalt den geometri, der passer til målflaken. Manipulationsteknikken er praktisk og reproducerbar, da PMMA-plasteret nemt kan vaskes væk med acetone og genmønstres ved litografi.

Normalt, for en omhyggeligt fremstillet PDMS-halvkugle, kontaktområdet mellem halvkuglen og en 2-D krystal afhænger af halvkuglens radius og er meget følsom over for kontaktkraften, gør det vanskeligt præcist at kontrollere bevægelsen af ​​målets 2-D krystal.

"Det epitaksiale PMMA-plaster spiller en afgørende rolle i manipulationsteknikken. Vores trick ligger i, at kontaktområdet på polymergelmanipulatoren er begrænset præcist til den mønstrede form af det epitaksiale polymerlag. Dette er nøglen til at realisere præcis kontrol af manipulation, gør det muligt at anvende en meget større kontrollerende kraft." sagde Jidong Li, en af ​​medforfatterne.

Sammenlignet med andre manipulationsteknikker af 2-D materialer, såsom at bruge atomkraftmikroskopspidser (AFM) til at skubbe en krystal med en specifikt fremstillet geometri, in situ twistronics-teknikken er ikke-destruktiv og kan manipulere flager uanset deres tykkelse, hvorimod en AFM-spids kun fungerer bedre til tykke flager og kan ødelægge tynde.

Perfekt justering af grafen og sekskantet bornitrid demonstrerer teknikkens potentiale i twistronics-applikationer.

Ved at bruge in-situ teknikken, forskerne roterede med succes 2-D-lag i en bornitrid/grafen/bornitrid-heterostruktur for at realisere en perfekt justering mellem alle lagene. Resultaterne viser dannelsen af ​​dobbelt moiré-supergitter ved de to grænseflader af heterostrukturen. Ud over, forskerne observerede signaturen af ​​andenordens (sammensat) moireacute; mønster genereret af den dobbelte moireacute; supergitter.

Denne heterostruktur med perfekt afstemt grafen og bornitrid demonstrerer potentialet i manipulationsteknikken i twistronics.

"Teknikken kan let generaliseres til andre 2-D materialesystemer og giver mulighed for reversibel manipulation i ethvert 2-D systemer væk fra passende regime", sagde Yaping Yang, som udførte forsøgsarbejdet.

Professor Mishchenko tilføjede:"Vi tror på, at vores teknik vil åbne op for en ny strategi inden for enhedsteknologi og finde dens anvendelser i forskning af 2-D kvasikrystaller, magiske vinkel flade bånd, og andre topologisk ikke-trivielle systemer."