Forskere bruger bånd af grafen til at skubbe materialepotentialet

Tror du, at du ved alt om et materiale? Prøv at give det et twist - bogstaveligt talt. Det er hovedideen i et spirende felt inden for kondenseret stofs fysik kaldet "twistronics", som har fået forskere til at ændre egenskaberne af 2D-materialer, såsom grafen, med subtile ændringer - så små som at gå fra en 1,1° til 1,2° - i vinklen mellem stablede lag.

Snoede lag af grafen har for eksempel vist sig at opføre sig på måder, som enkelte ark ikke har, herunder at virke som magneter, som elektriske superledere eller som en superleders modsatte, isolatorer, alt sammen på grund af små ændringer i snoningsvinklen mellem arkene.

I teorien kan du ringe til enhver egenskab ved at dreje på en knap, der ændrer vridningsvinklen. Virkeligheden er dog ikke så ligetil, siger Columbia-fysiker Cory Dean. To snoede lag af grafen kan blive som et nyt materiale, men præcis hvorfor disse forskellige egenskaber manifesterer sig er ikke godt forstået, endsige noget der kan kontrolleres fuldt ud endnu.

Dean og hans laboratorium har fundet frem til en simpel ny fremstillingsteknik, der kan hjælpe fysikere med at undersøge de grundlæggende egenskaber af snoede lag af grafen og andre 2D-materialer på en mere systematisk og reproducerbar måde. At skrive i videnskab , bruger de lange "bånd" af grafen i stedet for firkantede flager til at skabe enheder, der tilbyder et nyt niveau af forudsigelighed og kontrol over både snoningsvinkel og belastning.

Grafenanordninger er typisk blevet samlet af atomtynde flager af grafen, der kun er nogle få kvadratmillimeter. Den resulterende snoede vinkel mellem arkene er fikseret på plads, og flagerne kan være vanskelige at lægge jævnt sammen.

"Forestil dig grafen som stykker af saran wrap - når du sætter to stykker sammen, får du tilfældige små rynker og bobler," siger postdoc Bjarke Jessen, en medforfatter på papiret. Disse bobler og rynker er beslægtet med ændringer i snoningsvinklen mellem arkene og den fysiske belastning, der udvikler sig imellem og kan få materialet til at spænde, bøje og klemme tilfældigt. Alle disse variationer kan give ny adfærd, men de har været svære at kontrollere inden for og mellem enheder.

Bånd kan hjælpe med at glatte tingene ud. Laboratoriets nye forskning viser, at de med et lille skub fra spidsen af ​​et atomkraftmikroskop kan bøje et grafenbånd til en stabil bue, der derefter kan placeres fladt oven på et andet, ukrummet grafenlag.

Resultatet er en kontinuerlig variation i snoningsvinklen mellem de to ark, der strækker sig fra 0° til 5° på tværs af enhedens længde, med jævnt fordelt belastning overalt - ikke flere tilfældige bobler eller rynker at kæmpe med. "Vi behøver ikke længere at lave 10 separate enheder med 10 forskellige vinkler for at se, hvad der sker," sagde postdoc og medforfatter Maëlle Kapfer. "Og vi kan nu kontrollere for belastning, som manglede fuldstændigt i tidligere snoede enheder."

Holdet brugte specielle højopløsningsmikroskoper til at bekræfte, hvor ensartede deres enheder var. Med den rumlige information udviklede de en mekanisk model, der forudsiger snoningsvinkler og deformationsværdier, blot baseret på formen på det buede bånd.

Dette første papir var fokuseret på at karakterisere opførsel og egenskaber af bånd af grafen såvel som andre materialer, der kan fortyndes til enkeltlag og stables oven på hinanden. "Det har fungeret med hvert 2D-materiale, som vi har prøvet indtil nu," bemærkede Dean.

Herfra planlægger laboratoriet at bruge deres nye teknik til at udforske, hvordan de grundlæggende egenskaber ved kvantematerialer ændrer sig som en funktion af vridningsvinkel og belastning. For eksempel har tidligere forskning vist, at to snoede lag af grafen fungerer som en superleder, når snoningsvinklen er 1,1.

Men der er konkurrerende modeller til at forklare oprindelsen af ​​superledning ved denne såkaldte "magiske vinkel", såvel som forudsigelser af yderligere magiske vinkler, som hidtil har været for svære at stabilisere, sagde Dean. Med enheder lavet med bånd, som indeholder alle vinkler mellem 0° og 5°, kan teamet mere præcist udforske oprindelsen af ​​dette fænomen og andre.

"Det, vi laver, er som kvantealkymi:at tage et materiale og gøre det til noget andet. Vi har nu en platform til systematisk at udforske, hvordan det sker," sagde Jessen.

Flere oplysninger: Maëlle Kapfer et al., Programmering af snoningsvinkel- og strain-profiler i 2D-materialer, Science (2023). DOI:10.1126/science.ade9995

Journaloplysninger: Videnskab

Leveret af Columbia University