Natuurkundigen versnellen de jacht op revolutionaire kunstmatige atomaire materialen

Wetenschappers van de Universiteit van Bath hebben een belangrijke stap gezet om de interactie tussen lagen atomair dunne materialen die in stapels zijn gerangschikt, te begrijpen. Ze hopen dat hun onderzoek de ontdekking van nieuwe, kunstmatige materialen zal versnellen, wat leidt tot het ontwerp van elektronische componenten die veel kleiner en efficiënter zijn dan alles wat we vandaag kennen.

Kleiner is altijd beter in de wereld van elektronische schakelingen, maar er is een limiet aan hoe ver je een siliciumcomponent kunt verkleinen zonder dat het oververhit raakt en uit elkaar valt, en we zijn er bijna bij. De onderzoekers onderzoeken een groep atomair dunne materialen die tot stapels kunnen worden samengevoegd. De eigenschappen van elk eindmateriaal hangen zowel af van de keuze van de grondstoffen als van de hoek waaronder de ene laag op de andere is aangebracht.

Dr. Marcin Mucha-Kruczynski, die het onderzoek leidde van de afdeling Fysica, zei: “We hebben een manier gevonden om te bepalen hoe sterk atomen in verschillende lagen van een stapel aan elkaar zijn gekoppeld, en we hebben de toepassing van ons idee tot een structuur gemaakt van grafeenlagen. “

The Bath-onderzoek, gepubliceerd in Nature Communications, is gebaseerd op eerder onderzoek naar grafeen – een kristal dat wordt gekenmerkt door dunne laagjes koolstofatomen gerangschikt in een honingraatvorm. In 2018 ontdekten wetenschappers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) dat wanneer twee lagen grafeen worden gestapeld en vervolgens ten opzichte van elkaar worden gedraaid met de ‘magische’ hoek van 1,1 °, ze een materiaal produceren met supergeleidende eigenschappen. Dit was de eerste keer dat wetenschappers een supergeleidend materiaal hadden gemaakt dat puur van koolstof was gemaakt. Deze eigenschappen verdwenen echter bij de kleinste hoekverandering tussen de twee lagen grafeen.

Sinds de MIT-ontdekking hebben wetenschappers over de hele wereld geprobeerd dit ‘stapel- en draai’-fenomeen toe te passen op andere ultradunne materialen, door twee of meer atomair verschillende structuren samen te voegen in de hoop geheel nieuwe materialen met speciale eigenschappen te vormen.

“In de natuur kun je geen materialen vinden waarbij elke atoomlaag anders is”, zei Dr. Mucha-Kruczynski. “Bovendien kunnen twee materialen normaal gesproken maar op één specifieke manier worden samengevoegd, omdat chemische bindingen tussen lagen moeten worden gevormd. Maar voor materialen als grafeen zijn alleen de chemische bindingen tussen atomen op hetzelfde vlak sterk. De krachten tussen vlakken – bekend als van der Waals-interacties – zijn zwak, en hierdoor kunnen materiaallagen ten opzichte van elkaar worden gedraaid. “

De uitdaging voor wetenschappers is nu om het proces van het ontdekken van nieuwe, gelaagde materialen zo efficiënt mogelijk te maken. Door een formule te vinden waarmee ze de uitkomst kunnen voorspellen wanneer twee of meer materialen worden gestapeld, kunnen ze hun onderzoek enorm stroomlijnen.

Het is op dit gebied dat Dr. Mucha-Kruczynski en zijn medewerkers aan de Universiteit van Oxford, Peking University en ELETTRA Synchrotron in Italië verwachten een verschil te maken.

“Het aantal combinaties van materialen en het aantal hoeken waaronder ze kunnen worden gedraaid, is te groot om in het laboratorium uit te proberen, dus wat we kunnen voorspellen is belangrijk”, zei Dr. Mucha-Kruczynski.

De onderzoekers hebben aangetoond dat de interactie tussen twee lagen kan worden bepaald door een drielaagse structuur te bestuderen waarbij twee lagen worden geassembleerd zoals je in de natuur kunt aantreffen, terwijl de derde is gedraaid. Ze gebruikten hoekopgeloste foto-emissiespectroscopie – een proces waarbij krachtig licht elektronen uit het monster stoot, zodat de energie en het momentum van de elektronen kunnen worden gemeten, waardoor inzicht wordt verkregen in de eigenschappen van het materiaal – om te bepalen hoe sterk twee koolstofatomen op een gegeven afstand van elkaar zijn gekoppeld. Ze hebben ook aangetoond dat hun resultaat kan worden gebruikt om eigenschappen van andere stapels die uit dezelfde lagen zijn gemaakt te voorspellen, zelfs als de wendingen tussen lagen verschillend zijn.

De lijst van bekende atomair dunne materialen zoals grafeen groeit voortdurend. Het bevat al tientallen inzendingen met een breed scala aan eigenschappen, van isolatie tot supergeleiding, transparantie tot optische activiteit, broosheid tot flexibiliteit. De nieuwste ontdekking biedt een methode om de interactie tussen lagen van elk van deze materialen experimenteel te bepalen. Dit is essentieel voor het voorspellen van de eigenschappen van meer gecompliceerde stapels en voor het efficiënte ontwerp van nieuwe apparaten.

Dr. Mucha-Kruczynski gelooft dat het 10 jaar kan duren voordat nieuwe gestapelde en gedraaide materialen een praktische, alledaagse toepassing vinden. “Het duurde een decennium voordat grafeen van het laboratorium naar iets nuttigs in de gebruikelijke zin ging, dus met een vleugje optimisme verwacht ik dat een vergelijkbare tijdlijn van toepassing is op nieuwe materialen”, zei hij.

Voortbouwend op de resultaten van zijn laatste onderzoek, richten Dr. Mucha-Kruczynski en zijn team zich nu op gedraaide stapels gemaakt van lagen overgangsmetaal dichalcogeniden (een grote groep materialen met twee zeer verschillende soorten atomen – een metaal en een chalcogeen, zoals zwavel). Sommige van deze stapels hebben fascinerend elektronisch gedrag laten zien dat de wetenschappers nog niet kunnen verklaren.

“Omdat we te maken hebben met twee totaal verschillende materialen, is het bestuderen van deze stapels ingewikkeld”, legt Dr. Mucha-Kruczynski uit. “We hopen echter dat we op termijn in staat zullen zijn om de eigenschappen van verschillende stapels te voorspellen en nieuwe multifunctionele materialen te ontwerpen.”