Att stapla lager av tvådimensionella material ovanpå varandra och variera vridningsvinkeln mellan dem förändrar deras elektroniska egenskaper massivt. Tricket är att få vridningsvinkeln precis rätt, och att veta när du har gjort det. Forskare i Kina har nu utvecklat en teknik som hjälper till med den andra delen av denna utmaning. Genom att tillåta forskare att direkt visualisera variationerna i lokala vridningsvinklar, kastar den nya tekniken ljus på den elektroniska strukturen hos vridna material och påskyndar utvecklingen av enheter som utnyttjar deras egenskaper.

Grafen (en 2D-form av kol som bara är en atom tjock) har inte ett elektroniskt bandgap. Inte heller ett par grafenlager staplade ovanpå varandra. Men om du lägger till ett annat 2D-material som kallas hexagonal bornitrid (hBN) till stacken, uppstår ett bandgap. Detta beror på att gitterkonstanten för hBN – ett mått på hur dess atomer är ordnade – är nästan densamma som för grafen, men inte exakt. De något felmatchade lagren av grafen och hBN bildar en större struktur som kallas ett moiré-supergitter, och interaktionerna mellan närliggande atomer i detta supergitter tillåter att ett gap bildas. Om skikten sedan vrids så att de är ytterligare felinriktade, försvagas gitterinteraktionerna och bandgapet försvinner.

För att uppnå sådana förändringar i konventionella material krävs vanligtvis att forskare ändrar materialens kemiska sammansättning. Att variera vridningsvinkeln mellan lager av ett 2D-material är ett helt annat tillvägagångssätt, och de associerade möjligheterna kickstartade ett nytt område av enhetsteknik som kallas twistronics. Problemet är att vridningsvinklarna är svåra att kontrollera, och om olika områden av ett prov innehåller ojämnt fördelade vridna vinklar, kommer provets elektroniska egenskaper att variera från plats till plats. Detta är långt ifrån idealiskt för högpresterande enheter, så forskare har undersökt sätt att visualisera sådana inhomogeniteter mer exakt.

En ny metod baserad på sMIM

I det nya arbetet har ett team ledd av Hong-Jun Gao och Shiyu Zhu av Institutet för fysik, kinesiska vetenskapsakademin, anpassade en metod som kallas scanning microwave impedance microscopy (sMIM) som nyligen utvecklades av Zhixun Shen och kollegor på Stanford University i USA. Den anpassade metoden involverar applicering av ett antal grindspänningar på provet och analys av konduktivitetsfluktuationer i sMIM-data vid olika positioner i det. "Denna process tillhandahåller gate-spänningar som motsvarar moiré-bandgap, vilket indikerar helt fyllda elektroniska band, direkt avslöjar detaljer om moiré-supergittret och lokala vridningsvinklar," förklarar Zhu.

När forskarna testade den här metoden på högkvalitativa prover av vriden dubbelskiktsgrafen tillverkade av deras kollegor Qianying Hu, Yang Xu och Jiawei Hu, kunde de upptäcka variationer av vridningsvinklar direkt. De samlade också information om ledningsförmågan hos lokala områden, och de karakteriserade andra elektroniska tillstånd som kvanthallstillstånd och Chern-isolatorer genom att applicera magnetfält utanför planet. "Vi gjorde dessa mätningar samtidigt", konstaterar Zhu. "Detta gjorde det möjligt för oss att direkt få information om kvanttillstånd under olika lokala vridningsvinkelförhållanden."

Den nya tekniken avslöjade uttalade variationer i de lokala vridningsvinklarna på runt 0.3° över avstånd på flera mikrometer, tillägger han. Det gjorde det också möjligt för teamet att mäta lokal konduktivitet, vilket inte är möjligt med alternativa metoder som använder enelektrontransistorer för att mäta kompressibilitet eller nanoSQUIDs för att mäta magnetfält. Vad mer är, för prover av vridet dubbelskiktsgrafen som täcks av ett isolerande BN-lager har den nya metoden en betydande fördel jämfört med konventionell skanningstunnelmikroskopi, eftersom den kan penetrera det isolerande lagret.

Utforska nya kvanttillstånd

"Vårt arbete har avslöjat den lokala vridningsvinkelvariationen inom och mellan domäner av ett vridet tvådimensionellt material," säger Zhu Fysikvärlden. "Detta har fördjupat vår förståelse av det mikroskopiska tillståndet hos provet, vilket gör att vi kan förklara många experimentella fenomen som tidigare observerats i 'bulk-medelvärde'-mätningar. Det ger också ett sätt att utforska nya kvanttillstånd som är svåra att observera makroskopiskt, vilket ger insikter ur ett mikroskopiskt perspektiv."

Grafenband förstärker twistronics

Tack vare dessa mätningar borde ojämnheten i lokala vridningsvinklar i vridna tvådimensionella material inte längre vara ett hinder för studiet av nya kvanttillstånd, tillägger han. "Istället, tack vare den rika fördelningen av lokala vridningsvinklar vi har observerat, borde det nu vara möjligt att samtidigt jämföra olika kvanttillstånd under flera lokala vridningsvinkelförhållanden och bandstrukturförhållanden i ett enda prov."

Forskarna siktar nu på att utöka sin teknik till ett bredare utbud av vridna system och heterostrukturmoirésystem – till exempel i material som vridna tvålagers MoTe₂ och WSe₂/ WS₂. De skulle också vilja genomföra bulkmedelvärdesmätningar och jämföra dessa resultat med lokala mätningar med sin nya metod.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/local-twist-angles-in-graphene-come-into-view/