Overlappende moiré -roosters in 2D -materialen leveren instelbare kwantumeigenschappen en nieuwe atomaire motieven op

Een gezamenlijk onderzoeksteam heeft met succes een tweedimensionaal (2D) kwantummateriaalplatform ontwikkeld door de superpositie van Moiré-roosters.

Het onderzoek is gepubliceerd in Natuur onder de titel “Onconventionele domein tessellaties in moiré-of-moiré-roosters.”

Deze studie, geleid door professor Hyobin Yoo van het Department of Materials Science and Engineering, in samenwerking met professor Young-Woo Son (Korea Institute for Advanced Study) en professor Changwon Park (EWA Womans University), markeert de eerste Atomic-level identificatie van hiërarchische structuren en complexe interacties van het verschillende moiré-roosters in een trilayer-grafeensysteem.

Het werk zal naar verwachting een veelbelovend nieuw solid-state platform bieden voor de ontwikkeling van programmeerbare kwantumapparaten en elektronische materialen van de volgende generatie.

Het “moiré -effect” verwijst naar een nieuw patroon dat naar voren komt wanneer twee periodieke patronen worden gesuperponeerd. Overlappende mesh-stoffen kunnen bijvoorbeeld golfachtig patroon produceren, en gestreepte shirts op tv-schermen kunnen ongebruikelijke rastereffecten weergeven.

In de afgelopen jaren hebben wetenschappers ontdekt dat dit visuele fenomeen ook het gedrag van elektronen in materialen fundamenteel kan veranderen.

De beweging en staat van elektronen – die cruciaal zijn voor de werking van elektronische en kwantumapparaten – zijn nauw verbonden met hoe atomen zijn gerangschikt en op afstand in een materiaal. In typische vaste stoffen zijn atomaire regelingen vastgesteld, waardoor het moeilijk is om de elektronische eigenschappen van materialen te regelen.

In 2D -materialen zoals grafeen – slechts één atoom dik – genereert het inkeren van twee lagen met een lichte draai een nieuw superroosticepatroon dat een “Moiré -rooster” wordt genoemd. Dit creëert een kunstmatige periodiciteit die niet wordt gevonden in natuurlijke materialen, waardoor precieze controle van elektronenstroom en gedrag mogelijk is. Als gevolg hiervan krijgen Moiré-roosters aandacht als een platform voor kwantumtechnologieën en elektronica van de volgende generatie.

Hoewel eerdere studies vooral zijn gericht op “enkele Moiré-structuren” uit twee gestapelde lagen, kunnen het stapelen van drie of meer lagen verschillende Moiré-roosters vormen en overlappen, wat resulteert in een volledig nieuwe hiërarchische structuur die bekend staat als een “Moiré-of-Moiré-rooster.” Omdat elke Moiré -periode onafhankelijk kan worden afgestemd, verbetert deze configuratie de vrijheidsgraden in het beheersen van elektronische toestanden aanzienlijk.

Ondanks het potentieel blijven de mechanismen achter deze multi-moiré-structuren slecht begrepen. Onderzoek naar hoe dergelijke complexe structuren zich vormen en hoe interacties van de tussenlaag hun gedrag regelen, is essentieel voor het ontwerpen van meer geavanceerde elektronische systemen in de toekomst.

Het gezamenlijke onderzoeksteam stapelde drie lagen grafeen met zorgvuldig gecontroleerde draaihoeken, waardoor overlappende Moiré -roosters ontstonden. Met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie met hoge resolutie (TEM), zagen ze direct nieuwe roosterpatronen die spontaan voortkwamen uit atomaire herschikkingen, waaronder eerder niet-gerapporteerde driehoekige, kagome en hexagram-motieven.

Deze patronen kwamen naar voren als atomen die zelf georganiseerd zijn in energetisch gunstige configuraties, gedrag dat alleen de dichtstbijzijnde interacties niet kunnen verklaren. Het team onthulde dat zwakke maar cruciale interacties ook optreden tussen niet-boristische lagen en een belangrijke rol spelen bij het bepalen van de algehele structuur.

Als gevolg van deze ingewikkelde interlayer -interacties, manifesteren de resulterende hiërarchische roosterpatronen en onderscheidende fysische eigenschappen zich uitsluitend in driezijdige en dikkere meerlagige systemen.

Om deze structuren op te helderen, combineerde het team transmissie -elektronenmicroscopiemetingen met computationele simulaties en rapporteer een “structureel fasediagram” dat in kaart brengt hoe verschillende domeinroosters naar voren komen als een functie van draaihoek. Dit fasediagram zal naar verwachting dienen als een waardevolle gids voor toekomstig ontwerp van kwantummaterialen met behulp van multi-moiré-roosters.

Dit onderzoek toont aan dat hiërarchische atoomregelingen en elektronische toestanden precies kunnen worden ontworpen, zelfs in complexe, multi-moiré-systemen-die verder gaan dan de beperkingen van enkele Moiré-structuren. De mogelijkheid om twee Moiré -periodiciteiten onafhankelijk te beheersen, biedt onafhankelijk meer vrijheid bij het ontwerpen van elektronische eigenschappen.

Bovendien onthulde het team met succes nieuwe kwantummechanische fenomenen in hiërarchische Moiré -structuren en bedacht nieuwe methoden om hun gedrag op te helderen vanuit een materiaalwetenschap en natuurkundeperspectief. Van deze vooruitgang wordt verwacht dat ze meer geavanceerde materiaalontwerpen mogelijk maken voor toekomstige 2D -platforms voor kwantummateriaal en een basis biedt voor het ontwikkelen van nieuwe soorten elektronische en computationele apparaten.

Professor Hyobin Yoo, die de studie leidde, verklaarde: “Dit onderzoek toont aan dat Moiré-structuren meer zijn dan alleen visuele patronen-ze kunnen dienen als krachtige tools voor engineering atomaire interacties en elektronische toestanden. De hiërarchische roostervorming en lange-reeks tussenlagen interacties die worden gezien in moiré-of-moiré-lattices openen enthousiaste paden voor materiaalontwerp.”

Hij voegde eraan toe: “In de toekomst verwachten we dat dit onderzoek zal leiden tot de ontwikkeling van ‘programmeerbare materialen’ waarvan de elektronische eigenschappen en roosterstructuren actief kunnen worden afgestemd met behulp van externe stimuli zoals elektrische velden-de weg van toepassingen in de volgende generatie elektronica en kwantumtechnologieën.”

Co-first auteur Daesung Park heeft onderzoek gedaan naar Moiré-roosters in Twisted Van der Waals (VDW) -materialen met behulp van TEM tijdens de studies van zijn meester.

Hij werkt nu bij Samsung Electronics als een Process Architecture (PA) -ingenieur, waar hij zich richt op het ontwerpen en ontwikkelen van geavanceerde halfgeleiderproductieprocessen om de prestaties en kostenefficiëntie te verbeteren.