Onderzoekers gebruiken linten van grafeen om het potentieel van het materiaal te vergroten

Denk je dat je alles weet over een materiaal? Probeer er een draai aan te geven – letterlijk. Dat is het hoofdidee van een opkomend veld in de fysica van de gecondenseerde materie genaamd “twistronics”, waarbij onderzoekers de eigenschappen van 2D-materialen, zoals grafeen, drastisch veranderen met subtiele veranderingen – zo klein als van 1,1 ° tot 1,2 ° – in de hoek tussen gestapelde lagen.

Van gedraaide lagen grafeen is bijvoorbeeld aangetoond dat ze zich gedragen op manieren die afzonderlijke vellen niet hebben, inclusief het werken als magneten, als elektrische supergeleiders, of als de tegenovergestelde isolatoren van een supergeleider, allemaal als gevolg van kleine veranderingen in de draaihoek tussen vellen.

In theorie zou je elke eigenschap kunnen inbellen door aan een knop te draaien die de draaihoek verandert. De realiteit is echter niet zo eenvoudig, zegt natuurkundige Cory Dean uit Columbia. Twee gedraaide lagen grafeen kunnen als een nieuw materiaal worden, maar waarom deze verschillende eigenschappen zich precies manifesteren, is niet goed begrepen, laat staan ​​iets dat nog volledig kan worden gecontroleerd.

Dean en zijn lab hebben een eenvoudige nieuwe fabricagetechniek bedacht die natuurkundigen kan helpen de fundamentele eigenschappen van gedraaide lagen grafeen en andere 2D-materialen op een meer systematische en reproduceerbare manier te onderzoeken. Inschrijven Wetenschapgebruiken ze lange “linten” van grafeen, in plaats van vierkante vlokken, om apparaten te maken die een nieuw niveau van voorspelbaarheid en controle over zowel draaihoek als spanning bieden.

Grafeen-apparaten zijn meestal samengesteld uit atoomdunne vlokken grafeen die slechts enkele vierkante millimeters groot zijn. De resulterende draaihoek tussen de vellen is op zijn plaats gefixeerd en het kan lastig zijn om de vlokken soepel op elkaar te leggen.

“Stel je grafeen voor als stukjes saran-wikkel – als je twee stukken bij elkaar legt, krijg je willekeurige kleine rimpels en luchtbelletjes”, zegt postdoc Bjarke Jessen, een co-auteur van de krant. Die luchtbellen en rimpels zijn vergelijkbaar met veranderingen in de draaihoek tussen de vellen en de fysieke spanning die zich daartussen ontwikkelt en kan ervoor zorgen dat het materiaal willekeurig knikt, buigt en knijpt. Al deze variaties kunnen nieuw gedrag opleveren, maar ze waren moeilijk te beheersen binnen en tussen apparaten.

Linten kunnen helpen dingen glad te strijken. Het nieuwe onderzoek van het lab laat zien dat ze met slechts een klein duwtje van de punt van een atoomkrachtmicroscoop een grafeenlint kunnen buigen tot een stabiele boog die vervolgens plat op een tweede, niet-gebogen grafeenlaag kan worden geplaatst.

Het resultaat is een continue variatie in de draaihoek tussen de twee vellen die zich uitstrekt van 0° tot 5° over de lengte van het apparaat, met gelijkmatig verdeelde spanning over het hele oppervlak – geen willekeurige luchtbellen of rimpels meer om mee te kampen. “We hoeven niet langer 10 afzonderlijke apparaten met 10 verschillende hoeken te maken om te zien wat er gebeurt”, zegt postdoc en co-auteur Maëlle Kapfer. “En we kunnen nu controleren op spanning, die volledig ontbrak in eerdere gedraaide apparaten.”

Het team gebruikte speciale microscopen met hoge resolutie om te bevestigen hoe uniform hun apparaten waren. Met die ruimtelijke informatie ontwikkelden ze een mechanisch model dat draaihoeken en spanningswaarden voorspelt, simpelweg op basis van de vorm van het gebogen lint.

Dit eerste artikel was gericht op het karakteriseren van het gedrag en de eigenschappen van grafeenlinten en andere materialen die kunnen worden verdund tot enkele lagen en op elkaar kunnen worden gestapeld. “Het werkt met elk 2D-materiaal dat we tot nu toe hebben geprobeerd”, merkte Dean op.

Vanaf hier is het lab van plan om hun nieuwe techniek te gebruiken om te onderzoeken hoe de fundamentele eigenschappen van kwantummaterialen veranderen als een functie van draaihoek en rek. Eerder onderzoek heeft bijvoorbeeld aangetoond dat twee gedraaide lagen grafeen als een supergeleider werken wanneer de draaihoek 1,1 is.

Er zijn echter concurrerende modellen om de oorsprong van supergeleiding in deze zogenaamde “magische hoek” te verklaren, evenals voorspellingen van extra magische hoeken die tot nu toe te moeilijk waren om te stabiliseren, zei Dean. Met apparaten gemaakt met linten, die alle hoeken tussen 0° en 5° bevatten, kan het team de oorsprong van dit en andere fenomeen nauwkeuriger onderzoeken.

“Wat we doen is als kwantumalchemie: een materiaal nemen en het in iets anders veranderen. We hebben nu een platform om systematisch te onderzoeken hoe dat gebeurt”, zei Jessen.