Onderzoekers geven een nieuwe draai aan grafiet

Al tientallen jaren onderzoeken wetenschappers het potentieel van tweedimensionale materialen om onze wereld te transformeren. 2D-materialen zijn slechts een enkele laag atomen dik. Daarin kunnen subatomaire deeltjes zoals elektronen slechts in twee dimensies bewegen. Deze simpele beperking kan ongewoon elektronengedrag veroorzaken, waardoor de materialen “exotische” eigenschappen krijgen, zoals bizarre vormen van magnetisme, supergeleiding en ander collectief gedrag van elektronen – die allemaal nuttig kunnen zijn in computers, communicatie, energie en andere gebieden.

Maar onderzoekers gingen er over het algemeen van uit dat deze exotische 2D-eigenschappen alleen bestaan ​​in enkellaagse vellen of korte stapels. De zogenaamde ‘bulk’-versies van deze materialen – met hun complexere 3D-atomaire structuren – zouden zich anders moeten gedragen.

Of dat dachten ze.

In een artikel gepubliceerd op 19 juli in Natuur, meldt een team onder leiding van onderzoekers van de Universiteit van Washington dat het mogelijk is om grafiet – het bulk, 3D-materiaal dat wordt gevonden in nr. 2-potloden – te doordrenken met fysieke eigenschappen die vergelijkbaar zijn met de 2D-tegenhanger van grafiet, grafeen. Deze doorbraak was niet alleen onverwacht, het team gelooft ook dat zijn aanpak kan worden gebruikt om te testen of vergelijkbare soorten bulkmaterialen ook 2D-achtige eigenschappen kunnen aannemen. Als dat zo is, zullen 2D-platen niet de enige bron zijn voor wetenschappers om technologische revoluties aan te wakkeren. Bulk, 3D-materialen kunnen net zo nuttig zijn.

“Het stapelen van een enkele laag op een enkele laag – of twee lagen op twee lagen – is al enkele jaren de focus voor het ontsluiten van nieuwe fysica in 2D-materialen. In deze experimentele benaderingen komen daar veel interessante eigenschappen naar voren”, zegt senior auteur Matthew Yankowitz, een UW assistent-professor in de natuurkunde en materiaalkunde en engineering. “Maar wat gebeurt er als je lagen blijft toevoegen? Uiteindelijk moet het stoppen, toch? Dat is wat intuïtie suggereert. Maar in dit geval heeft intuïtie ongelijk. Het is mogelijk om 2D-eigenschappen in 3D-materialen te mengen.”

Het team, dat ook onderzoekers van de Universiteit van Osaka en het National Institute for Materials Science in Japan omvat, paste een benadering toe die gewoonlijk wordt gebruikt om de eigenschappen van 2D-materialen te onderzoeken en te manipuleren: 2D-vellen op elkaar stapelen met een kleine draaihoek. Yankowitz en zijn collega’s plaatsten een enkele laag grafeen bovenop een dun, massief grafietkristal en introduceerden vervolgens een draaihoek van ongeveer 1 graad tussen grafiet en grafeen. Ze ontdekten nieuwe en onverwachte elektrische eigenschappen, niet alleen aan de gedraaide interface, maar ook diep in het bulkgrafiet.

De draaihoek is van cruciaal belang voor het genereren van deze eigenschappen, zei Yankowitz, die ook faculteitslid is van het UW Clean Energy Institute en het UW Institute for Nano-Engineered Systems. Een draaihoek tussen 2D-vellen, zoals twee vellen grafeen, creëert een zogenaamd moirépatroon, dat de stroom van geladen deeltjes zoals elektronen verandert en exotische eigenschappen in het materiaal induceert.

In de door UW geleide experimenten met grafiet en grafeen veroorzaakte de draaihoek ook een moirépatroon, met verrassende resultaten. Hoewel slechts een enkel vel grafeen bovenop het bulkkristal was gedraaid, ontdekten onderzoekers dat de elektrische eigenschappen van het hele materiaal aanzienlijk verschilden van typisch grafiet. En toen ze een magnetisch veld aanzetten, namen elektronen diep in het grafietkristal ongebruikelijke eigenschappen aan die vergelijkbaar zijn met die van elektronen aan de gedraaide interface.

In wezen raakte de enkele gedraaide grafeen-grafiet-interface onlosmakelijk vermengd met de rest van het bulkgrafiet.

“Hoewel we het moiré-patroon alleen aan het oppervlak van het grafiet genereerden, vloeiden de resulterende eigenschappen door het hele kristal”, zegt mede-hoofdauteur Dacen Waters, een UW postdoctoraal onderzoeker in de natuurkunde.

Voor 2D-vellen genereren moiré-patronen eigenschappen die nuttig kunnen zijn voor kwantumcomputing en andere toepassingen. Het induceren van vergelijkbare fenomenen in 3D-materialen opent nieuwe benaderingen voor het bestuderen van ongebruikelijke en exotische toestanden van materie en hoe deze uit het laboratorium en in ons dagelijks leven kunnen worden gebracht.

“Het hele kristal neemt deze 2D-toestand aan”, zegt mede-hoofdauteur Ellis Thompson, een UW-promovendus in de natuurkunde. “Dit is een fundamenteel nieuwe manier om het elektronengedrag in een bulkmateriaal te beïnvloeden.”

Yankowitz en zijn team geloven dat hun benadering van het genereren van een draaihoek tussen grafeen en een bulkgrafietkristal kan worden gebruikt om 2D-3D-hybriden te maken van zijn zustermaterialen, waaronder wolfraamditelluride en zirkoniumpentatelluride. Dit zou een nieuwe benadering kunnen ontsluiten voor het opnieuw ontwerpen van de eigenschappen van conventionele bulkmaterialen met behulp van een enkele 2D-interface.

“Deze methode zou een heel rijke speeltuin kunnen worden voor het bestuderen van opwindende nieuwe fysische fenomenen in materialen met gemengde 2D- en 3D-eigenschappen”, zei Yankowitz.