Forskere sætter et nyt twist på grafit

I årtier har videnskabsmænd undersøgt potentialet af todimensionelle materialer til at transformere vores verden. 2D-materialer er kun et enkelt lag atomer tykt. Inden i dem kan subatomære partikler som elektroner kun bevæge sig i to dimensioner. Denne simple begrænsning kan udløse usædvanlig elektronadfærd, og give materialerne "eksotiske" egenskaber som bizarre former for magnetisme, superledning og anden kollektiv adfærd blandt elektroner – som alt sammen kan være nyttige inden for databehandling, kommunikation, energi og andre områder.

Men forskere har generelt antaget, at disse eksotiske 2D-egenskaber kun eksisterer i enkeltlagsark eller korte stakke. De såkaldte "bulk"-versioner af disse materialer – med deres mere komplekse 3D-atomstrukturer – bør opføre sig anderledes.

Eller det troede de.

I et papir offentliggjort den 19. juli i Nature , rapporterer et hold ledet af forskere ved University of Washington, at det er muligt at præge grafit - det største 3D-materiale, der findes i nr. 2 blyanter - med fysiske egenskaber, der ligner grafits 2D-modstykke, grafen. Ikke alene var dette gennembrud uventet, teamet mener også, at dets tilgang kunne bruges til at teste, om lignende typer bulkmaterialer også kan antage 2D-lignende egenskaber. Hvis det er tilfældet, vil 2D-ark ikke være den eneste kilde for forskere til at sætte skub i teknologiske revolutioner. Masse, 3D-materialer kunne være lige så nyttige.

"At stable enkelt lag på enkelt lag - eller to lag på to lag - har været fokus for at låse op for ny fysik i 2D-materialer i flere år nu. I disse eksperimentelle tilgange er det dér, hvor mange interessante egenskaber dukker op," siger seniorforfatter Matthew Yankowitz. en UW assisterende professor i fysik og materialevidenskab og teknik. "Men hvad sker der, hvis du bliver ved med at tilføje lag? Til sidst må det stoppe, ikke? Det er, hvad intuitionen tyder på. Men i dette tilfælde er intuition forkert. Det er muligt at blande 2D-egenskaber ind i 3D-materialer."

Holdet, som også omfatter forskere ved Osaka University og National Institute for Materials Science i Japan, tilpassede en fremgangsmåde, der almindeligvis bruges til at undersøge og manipulere egenskaberne af 2D-materialer:stable 2D-ark sammen i en lille snoningsvinkel. Yankowitz og hans kolleger placerede et enkelt lag grafen oven på en tynd, bulk grafitkrystal og introducerede derefter en snoningsvinkel på omkring 1 grad mellem grafit og grafen. De opdagede nye og uventede elektriske egenskaber ikke kun ved den snoede grænseflade, men også dybt i massen af ​​grafit.

Vridningsvinklen er afgørende for at generere disse egenskaber, sagde Yankowitz, som også er fakultetsmedlem i UW Clean Energy Institute og UW Institute for Nano-Engineered Systems. En snoningsvinkel mellem 2D-ark, som to ark grafen, skaber det, der kaldes et moiré-mønster, som ændrer strømmen af ​​ladede partikler som elektroner og inducerer eksotiske egenskaber i materialet.

I de UW-ledede eksperimenter med grafit og grafen inducerede vridningsvinklen også et moiré-mønster med overraskende resultater. Selvom kun et enkelt ark grafen oven på bulkkrystallen var snoet, fandt forskerne ud af, at de elektriske egenskaber af hele materialet adskilte sig markant fra typisk grafit. Og da de tændte et magnetfelt, antog elektroner dybt i grafitkrystallen usædvanlige egenskaber, der ligner elektronernes ved den snoede grænseflade.

I det væsentlige blev den enkelt snoede grafen-grafit-grænseflade uløseligt blandet med resten af ​​bulk-grafitten.

"Selvom vi kun genererede moiré-mønsteret på overfladen af ​​grafitten, blødte de resulterende egenskaber hen over hele krystallen," sagde medforfatter Dacen Waters, en UW-postdoktor i fysik.

For 2D-ark genererer moiré-mønstre egenskaber, der kan være nyttige til kvanteberegning og andre applikationer. Fremkaldelse af lignende fænomener i 3D-materialer låser op for nye tilgange til at studere usædvanlige og eksotiske tilstande af stof, og hvordan man bringer dem ud af laboratoriet og ind i vores hverdag.

"Hele krystallen antager denne 2D-tilstand," sagde co-lead forfatter Ellis Thompson, en UW doktorand i fysik. "Dette er en fundamentalt ny måde at påvirke elektronadfærd i et bulkmateriale."

Yankowitz og hans team mener, at deres tilgang til at generere en drejningsvinkel mellem grafen og en bulk grafitkrystal kan bruges til at skabe 2D-3D hybrider af dets søstermaterialer, herunder wolframditellurid og zirconiumpentatellurid. Dette kunne låse op for en ny tilgang til omstrukturering af egenskaberne ved konventionelle bulkmaterialer ved hjælp af en enkelt 2D-grænseflade.

"Denne metode kan blive en virkelig rig legeplads til at studere spændende nye fysiske fænomener i materialer med blandede 2D- og 3D-egenskaber," sagde Yankowitz.

Flere oplysninger: Matthew Yankowitz, Blandede dimensionelle moirésystemer af snoede grafitiske tynde film, Nature (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06290-3. www.nature.com/articles/s41586-023-06290-3

Journaloplysninger: Natur

Leveret af University of Washington