二次元材料の層を互いに積み重ね、それらの間のねじれ角を変えると、その電子特性が大幅に変化します。コツは、ツイスト角度を適切に調整し、適切に調整できたことを知ることです。中国の研究者たちは現在、この課題の 2 番目の部分に役立つ技術を開発しました。この新しい技術により、科学者が局所的なねじれ角の変化を直接視覚化できるようになり、ねじれた材料の電子構造が明らかになり、その特性を活用するデバイスの開発が加速されます。

グラフェン (わずか 2 原子の厚さの炭素の 2D 形態) には電子バンド ギャップがありません。互いの上に積み重ねられた一対のグラフェン層も同様です。ただし、六方晶窒化ホウ素 (hBN) と呼ばれる別の XNUMXD 材料をスタックに追加すると、バンドギャップが現れます。これは、hBN の格子定数 (原子の配置の尺度) がグラフェンの格子定数とほぼ同じですが、正確ではないためです。グラフェンと hBN のわずかに不整合な層は、モアレ超格子として知られるより大きな構造を形成し、この超格子内の隣接する原子間の相互作用によりギャップが形成されます。さらに層がねじれて配列がずれると、格子相互作用が弱まり、バンドギャップが消失します。

従来の材料でこのような変化を実現するには、通常、科学者が材料の化学組成を変更する必要があります。 2D 材料の層間でツイスト角度を変えることはまったく異なるアプローチであり、関連する可能性により、ツイストロニクスとして知られるデバイス エンジニアリングの新しい分野が始まりました。問題は、ねじれ角の制御が難しく、サンプルのさまざまな領域に不均一に分布したねじれ角が含まれている場合、サンプルの電子特性が場所によって異なることです。これは高性能デバイスにとって理想とは程遠いため、研究者はそのような不均一性をより正確に視覚化する方法を模索してきました。

sMIMをベースにした新しい手法

新作では、 ガオ・ホンジュン & シユ・ズー 中国科学院物理学研究所は、最近開発された走査型マイクロ波インピーダンス顕微鏡法（sMIM）と呼ばれる方法を採用しました。 シェン・ジシュン と同僚 スタンフォード大学 アメリカ合衆国で。適応された方法には、サンプルに一定範囲のゲート電圧を印加し、サンプル内のさまざまな位置での sMIM データの導電率の変動を分析することが含まれます。 「このプロセスは、完全に満たされた電子バンドを示すモアレ バンド ギャップに対応するゲート電圧を提供し、モアレ超格子と局所的なねじれ角の詳細を直接明らかにします」と Zhu 氏は説明します。

研究者らが同僚によって製造されたツイスト二層グラフェンの高品質サンプルでこの方法をテストしたとき Qianying Hu、Yang Xu、Jiawei Hu、ねじれ角の変化を直接検出することができました。彼らはまた、局所領域の導電率に関する情報を収集し、面外磁場を適用することによって量子ホール状態やチャーン絶縁体などの他の電子状態を特徴付けました。 「私たちはこれらの測定を同時に行いました」と Zhu 氏は述べます。 「これにより、さまざまな局所的なねじれ角条件下で量子状態情報を直接取得できるようになりました。」

新しい技術では、数ミクロンの距離にわたって局所的なねじれ角が約0.3°という顕著な変化を示した、と同氏は付け加えた。また、これによりチームは、単一電子トランジスタを使用して圧縮率を測定したり、nanoSQUID を使用して磁場を測定したりする代替方法では不可能な、局所的な導電率の測定も可能になりました。さらに、絶縁BN層で覆われたねじれ二層グラフェンのサンプルの場合、新しい方法は絶縁層を貫通できるため、従来の走査トンネル顕微鏡に比べて大きな利点があります。

新しい量子状態の探索

「私たちの研究により、ねじれた二次元材料の領域内および領域間の局所的なねじれ角の変化が明らかになりました」と Zhu 氏は語ります。 物理学の世界。 「これにより、サンプルの微視的な状態についての理解が深まり、これまで「バルク平均」測定で観察された多くの実験現象を説明できるようになりました。また、巨視的に観察することが難しい新しい量子状態を探索する方法も提供し、微視的な観点からの洞察を提供します。」

グラフェンリボンがツイストロニクスを進歩させる

これらの測定のおかげで、ねじれた二次元材料における局所的なねじれ角の不均一性は、新しい量子状態の研究の妨げにはならなくなるはずである、と彼は付け加えた。 「代わりに、私たちが観察した局所ねじれ角の豊富な分布のおかげで、単一サンプル内の複数の局所ねじれ角条件およびバンド構造条件下でさまざまな量子状態を同時に比較することが可能になるはずです。」

研究者らは現在、その技術をより広範囲のねじれシステムやヘテロ構造モアレシステム、たとえばねじれ二重層 MoTe などの材料に拡張することを目指しています。₂ およびWSe₂/ WS₂。また、バルク平均測定を実施し、その結果を新しい方法を使用した局所測定と比較したいと考えています。

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• 情報源： https://physicsworld.com/a/local-twist-angles-in-graphene-come-into-view/