Visualisatie van de ingebedde, gedraaide interfaces van tweedimensionale materialen

Het verticaal stapelen van tweedimensionale (2D) materialen om van der Waals homo- of heterostructuren te vormen is een effectief middel geworden om hun fysieke en mechanische eigenschappen te reguleren. Vooral wanneer er een kleine draaihoek aanwezig is op het gestapelde grensvlak, vertonen de 2D-structuren vaak veel interessante en zelfs magische fysieke verschijnselen dankzij de unieke tussenlaagkoppeling.

In het geval van dubbellaags grafeen met een kleine draaihoek zal het gedraaide grensvlak een spontane atomaire reconstructie ondergaan als gevolg van de concurrentie tussen de stapelenergie tussen de lagen en de elastische spanningsenergie binnen de laag. Deze speciale gestapelde structuur kan tot veel onverwachte verschijnselen leiden, waaronder de Mott-isolatietoestand, onconventionele supergeleiding en spontaan ferromagnetisme.

Onlangs is ontdekt dat verwrongen grensvlakken niet alleen in de oppervlaktelaag kunnen voorkomen, maar ook kunnen worden ingebed in de van der Waals-structuren, wat kan leiden tot rijker fysiek gedrag. Voor deze interessante 2D-architecturen zijn hun fysieke eigenschappen zeer gevoelig voor de stapelstatus van de interne lagen en interfaces.

Helaas is het nog steeds een grote uitdaging om de ingebedde stapelstructuur precies te karakteriseren. Bovendien is de vraag of de ingebedde, gedraaide interfaces ook atomaire reconstructie zouden ondergaan en welke impact de reconstructie kan hebben op de aangrenzende atomaire lagen en op de hele gestapelde eenheden wetenschappelijk intrigerend en blijft onontgonnen.

Om deze vragen te beantwoorden hebben de groep van professor Qunyang Li aan de Tsinghua Universiteit en de groep van professor Ouyang Wengen aan de Wuhan Universiteit een nieuwe methode ontwikkeld, gebaseerd op geleidende atoomkrachtmicroscopie (c-AFM), om de interne stapeltoestand van gedraaid gelaagd materiaal te karakteriseren en te reconstrueren door middel van eenvoudige metingen van oppervlaktegeleiding. Het gerelateerde werk is gepubliceerd in Nationale wetenschapsrecensie.

Hun experimentele resultaten hebben aangetoond dat de gedraaide grensvlakken nog steeds atomaire reconstructie kunnen ondergaan en met name de geleidbaarheid van het oppervlak kunnen beïnvloeden, zelfs als ze tien atomaire lagen onder het oppervlak zijn ingebed. Om de atomaire structuur van het gedraaide meerlagensysteem beter te begrijpen, is een meerlaags grafeensysteem vergelijkbaar met de experimentele monsters geconstrueerd in een moleculaire dynamica (MD) simulatiemodel door nauwkeurig rekening te houden met de interacties tussen de lagen.

De simulatieresultaten hebben onthuld dat voor gedraaide grensvlakken met kleine hoeken ingebed in het binnenste van materiaal inderdaad atomaire reconstructie kan optreden en de rotatievervorming in het vlak van de aangrenzende grafeenlagen kan bevorderen. De atomaire rotatievervorming van de grafeenlaag neemt echter geleidelijk af naarmate men zich verwijdert van het gedraaide grensvlak.

Gebaseerd op de atomaire structuren onthuld in MD-simulaties, stelde de onderzoeksgroep een seriespreidingsweerstandsmodel (SSR-model) voor om de invloed van de stapeltoestand van een gedraaid meerlagensysteem op de geleidbaarheid van het oppervlak te kwantificeren.

Het nieuwe model maakt het mogelijk om direct een correlatie tussen de geleidbaarheid van het oppervlak en de interne stapelstructuur te maken, wat zelfs toepasbaar is voor getwiste meerlaagse monsters met complexe kristaldefecten (bijv. dislocaties). Het werk biedt een eenvoudige, handige manier met hoge resolutie om de interne stapelstructuren van gedraaide gelaagde materialen te karakteriseren, wat cruciaal is voor fundamentele studies van 2D-gestapelde structuren en de ontwikkeling van opkomende gedraaide elektronica.