Doorbraak in materiaalontdekking maakt ’twistronics’ mogelijk voor bulksystemen

SMART-onderzoekers laten zien dat de verschijnselen die verband houden met de vorming van moiré-superroosters die worden waargenomen in tweedimensionale systemen op monolaagbasis, kunnen worden vertaald om optische eigenschappen van driedimensionaal, bulkachtig hexagonaal boornitride af te stemmen, zelfs bij kamertemperatuur. Credit: Nano Letters Omslag, jaargang 21, nummer 7

Onderzoekers van de Low Energy Electronic Systems (LEES) Interdisciplinary Research Group (IRG) bij Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART), MIT’s onderzoeksonderneming in Singapore samen met Massachusetts Institute of Technology (MIT) en National University of Singapore (NUS) ), hebben een nieuwe manier ontdekt om de lichtemissie van materialen te beheersen.

Het beheersen van de eigenschappen van materialen is de drijvende kracht achter de meeste moderne technologieën – van zonnepanelen, computers, slimme voertuigen of levensreddende ziekenhuisapparatuur. Maar materiaaleigenschappen zijn traditioneel aangepast op basis van hun samenstelling, structuur en soms grootte, en de meeste praktische apparaten die laagjes van materialen met verschillende samenstellingen produceren of genereren die vaak moeilijk te kweken zijn.

De doorbraak van SMART-onderzoekers en hun medewerkers biedt een nieuwe paradigmaverschuivende benadering om de optische eigenschappen van technologisch relevante materialen af ​​te stemmen door de draaihoek tussen gestapelde films bij kamertemperatuur te veranderen. Hun bevindingen kunnen een enorme impact hebben op verschillende toepassingen op het gebied van medische, biologische en kwantuminformatie. Het team licht hun onderzoek toe in een paper met de titel “Tunable Optical Properties of Thin Films Controlled by the Interface Twist Angle”, onlangs gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift Nano Letters.

“Een aantal nieuwe fysische verschijnselen – zoals onconventionele supergeleiding – is onlangs ontdekt door afzonderlijke lagen atomair dunne materialen op elkaar te stapelen onder een draaihoek, wat resulteert in de vorming van wat we moiré-superroosters noemen,” zegt corresponderende auteur van het artikel, professor Silvija Gradecak van het Department of Materials Science and Engineering bij NUS en Principal Investigator bij SMART LEES. “De bestaande methoden zijn gericht op het stapelen van alleen dunne afzonderlijke monolagen van film, wat bewerkelijk is, terwijl onze ontdekking ook van toepassing zou zijn op dikke films – waardoor het proces van materiaalontdekking veel efficiënter wordt.”

Hun onderzoek kan ook zinvol zijn voor het ontwikkelen van de fundamentele fysica op het gebied van “twistronics” – de studie van hoe de hoek tussen lagen van tweedimensionale materialen hun elektrische eigenschappen kan veranderen. Professor Gradecak wijst erop dat het veld zich tot dusverre heeft gericht op het stapelen van individuele monolagen, wat een zorgvuldige afschilfering vereist en mogelijk last heeft van ontspanning door een verwrongen toestand, waardoor hun praktische toepassingen worden beperkt. De ontdekking van het team zou dit baanbrekende twistgerelateerde fenomeen ook toepasbaar kunnen maken op dikke filmsystemen, die gemakkelijk te manipuleren en industrieel relevant zijn.

“Onze experimenten toonden aan dat hetzelfde fenomeen dat leidt tot de vorming van moiré-superroosters in tweedimensionale systemen, kan worden vertaald om de optische eigenschappen van driedimensionaal, bulkachtig hexagonaal boornitride (hBN) zelfs bij kamertemperatuur af te stemmen”, aldus Hae Yeon Lee , de hoofdauteur van het artikel en een Ph.D. kandidaat bij MIT. “We ontdekten dat zowel de intensiteit als de kleur van gestapelde, dikke hBN-films continu kunnen worden afgestemd door hun relatieve draaihoeken en de intensiteit met meer dan 40 keer verhoogd.”

De onderzoeksresultaten openen een nieuwe manier om optische eigenschappen van dunne films te controleren buiten de conventioneel gebruikte structuren, vooral voor toepassingen in de geneeskunde, milieu- of informatietechnologieën.