Moiré-effect: hoe materiaaleigenschappen te verdraaien

2D-materialen hebben een enorme vlucht genomen in materiaalonderzoek. Nu blijkt dat er opwindende effecten optreden wanneer twee van dergelijke gelaagde materialen worden gestapeld en lichtjes gedraaid.

De ontdekking van het materiaal grafeen, dat uit slechts één laag koolstofatomen bestaat, was het startsein voor een wereldwijde race: tegenwoordig worden er zogenaamde 2D-materialen geproduceerd, gemaakt van verschillende soorten atomen. Atoomdunne lagen die vaak zeer speciale materiaaleigenschappen hebben die niet voorkomen in conventionele, dikkere materialen.

Nu wordt er weer een hoofdstuk aan dit onderzoeksgebied toegevoegd: Als twee van zulke 2D-lagen in de juiste hoek worden gestapeld, ontstaan ​​er nog meer nieuwe mogelijkheden. De manier waarop de atomen van de twee lagen op elkaar inwerken, creëert ingewikkelde geometrische patronen, en deze patronen hebben een beslissende invloed op de materiaaleigenschappen, zoals een onderzoeksteam van TU Wien en de Universiteit van Texas (Austin) nu heeft kunnen aantonen. Fononen – de roostertrillingen van de atomen – worden significant beïnvloed door de hoek waaronder de twee materiaallagen op elkaar worden geplaatst. Met kleine rotaties van zo’n laag kan men dus de materiaaleigenschappen aanzienlijk veranderen.

Het Moiré-effect

Het basisidee kan thuis worden uitgeprobeerd met twee vliegengaasplaten – of met andere reguliere mazen die op elkaar kunnen worden geplaatst: als beide roosters perfect op elkaar aansluiten, kun je van bovenaf nauwelijks zien of het zijn een of twee roosters. De regelmaat van de structuur is niet veranderd.

Maar als je nu een van de roosters een kleine hoek draait, zijn er plaatsen waar de roosterpunten van de mazen ongeveer overeenkomen, en andere plaatsen waar ze niet passen. Op deze manier ontstaan ​​interessante patronen – dat is het bekende moiré-effect.

“Je kunt precies hetzelfde doen met de atoomroosters van twee materiaallagen”, zegt dr. Lukas Linhart van het Instituut voor Theoretische Fysica aan de TU Wien. Het opmerkelijke is dat dit bepaalde materiaaleigenschappen drastisch kan veranderen – grafeen wordt bijvoorbeeld een supergeleider als twee lagen van dit materiaal op de juiste manier worden gecombineerd.

“We hebben lagen molybdeendisulfide bestudeerd, dat, samen met grafeen, waarschijnlijk een van de belangrijkste 2D-materialen is”, zegt prof. Florian Libisch, die het project leidde aan de TU Wien. “Als je twee lagen van dit materiaal op elkaar legt, ontstaan ​​er zogeheten Van der Waalskrachten tussen de atomen van deze twee lagen. Dit zijn relatief zwakke krachten, maar ze zijn sterk genoeg om het gedrag van het geheel volledig te veranderen. systeem.”

In uitgebreide computersimulaties analyseerde het onderzoeksteam de kwantummechanische toestand van de nieuwe dubbellaagse structuur veroorzaakt door deze zwakke extra krachten, en hoe dit de trillingen van de atomen in de twee lagen beïnvloedt.

De rotatiehoek is belangrijk

“Als je de twee lagen een beetje tegen elkaar draait, zorgen de Van der Waals-krachten ervoor dat de atomen van beide lagen een beetje van positie veranderen”, zegt dr. Jiamin Quan, van UT Texas in Austin. Hij leidde de experimenten in Texas, die de resultaten van de berekeningen bevestigden: De rotatiehoek kan worden gebruikt om aan te passen welke atoomtrillingen fysiek mogelijk zijn in het materiaal.

“In termen van materiaalkunde is het belangrijk om op deze manier controle te hebben over fononvibraties”, zegt Lukas Linhart. “Het feit dat elektronische eigenschappen van een 2D-materiaal kunnen worden veranderd door twee lagen samen te voegen, was al eerder bekend. het feit dat de mechanische trillingen in het materiaal hierdoor ook gecontroleerd kunnen worden, opent nieuwe mogelijkheden voor ons. Fononen en elektromagnetische eigenschappen zijn nauw met elkaar verbonden. Via de trillingen in het materiaal kan men dus ingrijpen bij belangrijke veellichaamseffecten in een controlerende manier. ” Na deze eerste beschrijving van het effect voor fononen, proberen de onderzoekers nu fononen en elektronen gecombineerd te beschrijven, in de hoop meer te weten te komen over belangrijke verschijnselen als supergeleiding.

Het materiaalfysische Moiré-effect maakt dus het toch al rijke onderzoeksveld van 2D-materialen nog rijker – en vergroot de kans om nieuwe gelaagde materialen te vinden met voorheen onbereikbare eigenschappen en maakt het gebruik van 2D-materialen mogelijk als een experimenteel platform voor vrij fundamentele eigenschappen van vaste stoffen.