Fijnafstemming van het "twist" tussen 2-D materialen in van der Waals heterostructuren om de volgende generatie elektronica te helpen versnellen

Een groep internationale onderzoekers van de Universiteit van Manchester heeft een nieuwe methode onthuld die de hoek – ’twist’ – tussen atoomdunne lagen die exotische door de mens gemaakte nanodevices genaamd van der Waals-heterostructuren vormen – kan verfijnen en de volgende generatie elektronica kan helpen versnellen. .

De nieuwe techniek kan in situ dynamische rotatie en manipulatie bereiken van 2D-materialen die op elkaar zijn gelaagd om van der Waals-heterostructuren te vormen – apparaten op nanoschaal met ongebruikelijke eigenschappen en opwindende nieuwe fenomenen, legt teamleider professor Mishchenko uit.

Het afstemmen van de draaihoek regelt de topologie en elektroneninteracties in 2D-materialen – en een dergelijk proces, dat ’twistronics’ wordt genoemd, is de laatste jaren een groeiend onderzoeksthema in de natuurkunde. De nieuwe door Manchester geleide studie zal worden gepubliceerd in Science Advances vandaag.

“Onze techniek maakt gedraaide van der Waals heterostructuren mogelijk met dynamisch afstembare optische, mechanische en elektronische eigenschappen.” verklaarde Yaping Yang, de hoofdauteur van dit werk.

Yaping Yang voegde toe: “Deze techniek zou bijvoorbeeld kunnen worden gebruikt bij autonome robotmanipulatie van tweedimensionale kristallen om van der Waals-superroosters te bouwen, die nauwkeurige positionering, rotatie en manipulatie van 2D-materialen mogelijk maken om materialen te fabriceren met de gewenste draaihoeken, om elektronische en kwantumeigenschappen van van der Waals-materialen te verfijnen. “

Het verdraaien van lagen van 2D-kristallen ten opzichte van elkaar resulteert in de vorming van een moiré-patroon, waarbij roosters van de ouder-2-D-kristallen een superrooster vormen. Dit superrooster kan het gedrag van elektronen in het systeem volledig veranderen, wat leidt tot observatie van veel nieuwe verschijnselen, waaronder sterke elektronencorrelaties, fractal quantum Hall-effect en supergeleiding.

Het team demonstreerde deze techniek door met succes heterostructuren te fabriceren waarbij grafeen perfect is uitgelijnd met zowel de bovenste als de onderste inkapselingslagen van hexagonaal boornitride – ook wel “wit grafeen” genoemd – waardoor dubbele moiré-superroosters op de twee grensvlakken ontstaan.

Zoals gepubliceerd in Science Advanceswordt de techniek gemedieerd door een polymeer resist patch op 2-D doelkristallen en een polymeergel manipulator, die de rotatie en positionering van 2D materialen nauwkeurig en dynamisch kan regelen.

“Onze techniek heeft het potentieel om twistronics in cryogene meetsystemen te brengen, bijvoorbeeld door gebruik te maken van micromanipulatoren of micro-elektromechanische apparaten”, voegde Artem Mishchenko toe.

De onderzoekers gebruikten een glazen plaatje met een druppel polydimethylsiloxaan (PDMS) als manipulator, die wordt uitgehard en op natuurlijke wijze gevormd tot een halfrondgeometrie. In de tussentijd hebben ze opzettelijk een epitaxiale polymethylmethacrylaat (PMMA) -pleister op een doelwit 2-D-kristal afgezet door middel van een standaard elektronenbundellithografie.

De stappen om doelvlokken in een heterostructuur te manipuleren, zijn eenvoudig te volgen. Door het handvat van de polymeergel te laten zakken, wordt de PDMS-hemisfeer in contact gebracht met de PMMA-pleister. Wanneer ze elkaar raken, kan men gemakkelijk de beoogde 2-D-kristallen op het oppervlak van de onderste vlok verplaatsen of roteren. Een dergelijke soepele beweging van de 2-D-vlokken is gebaseerd op de supergladheid tussen de twee kristallijne structuren.

Supergladheid is een fenomeen waarbij de wrijving tussen atomair vlakke oppervlakken verdwijnt afhankelijk van bepaalde omstandigheden.

De manipulatietechniek maakt een continue afstemming van de draaihoek tussen de lagen mogelijk, zelfs na de heterostructuurassemblage. Men kan de epitaxiale PMMA-patch desgewenst in een willekeurige vorm ontwerpen, normaal gezien de geometrie aannemen die bij de doelvlok past. De manipulatietechniek is handig en reproduceerbaar omdat de PMMA-pleister gemakkelijk kan worden weggespoeld met aceton en opnieuw kan worden gevormd door lithografie.

Normaal gesproken hangt voor een zorgvuldig gefabriceerde PDMS-halfrond het contactgebied tussen het halfrond en een 2D-kristal af van de halfrondradius en is het zeer gevoelig voor de contactkracht, waardoor het moeilijk is om de beweging van het doelwit-2D-kristal nauwkeurig te regelen. .

“De epitaxiale PMMA-pleister speelt een cruciale rol in de manipulatietechniek. Onze truc is dat het contactgebied van de polymeergelmanipulator precies beperkt is tot de patroonvorm van de epitaxiale polymeerlaag. Dit is de sleutel om een ​​nauwkeurige controle van de manipulatie, waardoor een veel grotere controlekracht kan worden uitgeoefend. ” zei Jidong Li, een van de co-auteurs.

Vergeleken met andere manipulatietechnieken van 2-D-materialen, zoals het gebruik van atomic force microscope (AFM) -punten om een ​​kristal met een specifiek vervaardigde geometrie te duwen, is de in situ twistronics-techniek niet-destructief en kan deze vlokken manipuleren ongeacht hun dikte, terwijl een AFM-tip werkt alleen beter voor dikke vlokken en kan dunne beschadigen.

De perfecte uitlijning van grafeen en hexagonaal boornitride toont het potentieel van de techniek in twistronics-toepassingen aan.

Met behulp van de in-situ-techniek hebben de onderzoekers met succes 2-D-lagen in een boornitride / grafeen / boornitride-heterostructuur geroteerd om een ​​perfecte uitlijning tussen alle lagen te realiseren. De resultaten tonen de vorming van dubbele moiré-superroosters aan op de twee grensvlakken van de heterostructuur. Bovendien observeerden de onderzoekers de handtekening van het tweede-orde (composiet) moireacute; patroon gegenereerd door de dubbele moireacute; superroosters.

Deze heterostructuur met perfect uitgelijnde grafeen en boornitride demonstreert het potentieel van de manipulatietechniek in twistronics.

“De techniek kan gemakkelijk worden gegeneraliseerd naar andere 2-D-materiaalsystemen en maakt omkeerbare manipulatie mogelijk in elk 2D-systeem buiten een passend regime”, zei Yaping Yang, die het experimentele werk uitvoerde.

Professor Mishchenko voegde toe: “We geloven dat onze techniek een nieuwe strategie in apparaatengineering zal openen en zijn toepassingen zal vinden in onderzoek naar 2D quasicrystals, magische hoek platte banden en andere topologisch niet-triviale systemen.”