การวางชั้นของวัสดุสองมิติซ้อนกันและการเปลี่ยนมุมการบิดระหว่างวัสดุทั้งสองจะเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์อย่างมาก เคล็ดลับคือการได้มุมบิดที่ถูกต้อง และรู้ว่าคุณได้บิดมุมไปแล้วเมื่อใด ขณะนี้นักวิจัยในประเทศจีนได้พัฒนาเทคนิคที่ช่วยในส่วนที่สองของความท้าทายนี้ เทคนิคใหม่นี้ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์มองเห็นความแปรผันของมุมบิดในท้องถิ่นได้โดยตรง ช่วยให้กระจ่างเกี่ยวกับโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของวัสดุที่บิดงอ และเร่งการพัฒนาอุปกรณ์ที่ใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติของพวกมัน

กราฟีน (คาร์บอนรูปแบบ 2 มิติที่มีความหนาเพียงอะตอมเดียว) ไม่มีช่องว่างของแถบอิเล็กทรอนิกส์ ไม่มีชั้นกราฟีนคู่หนึ่งซ้อนกัน อย่างไรก็ตาม หากคุณเพิ่มวัสดุ 2 มิติอีกชนิดที่เรียกว่าโบรอนไนไตรด์หกเหลี่ยม (hBN) ลงในปึก ช่องว่างของแถบจะปรากฏขึ้น เนื่องจากค่าคงที่แลตทิซของ hBN ซึ่งเป็นหน่วยวัดวิธีการจัดเรียงอะตอมของมัน เกือบจะเหมือนกับค่าคงที่ของกราฟีน แต่ก็ไม่เหมือนกันทุกประการ ชั้นกราฟีนและ hBN ที่ไม่ตรงกันเล็กน้อยก่อให้เกิดโครงสร้างขนาดใหญ่ที่เรียกว่า moiré superlattice และปฏิสัมพันธ์ระหว่างอะตอมใกล้เคียงใน superlattice นี้ทำให้เกิดช่องว่าง หากชั้นต่างๆ ถูกบิดเพื่อให้ไม่ตรงแนวมากขึ้น ปฏิกิริยาของโครงตาข่ายจะอ่อนลง และช่องว่างของแถบความถี่จะหายไป

การจะบรรลุถึงการเปลี่ยนแปลงดังกล่าวในวัสดุแบบเดิมๆ มักจะทำให้นักวิทยาศาสตร์ต้องปรับเปลี่ยนองค์ประกอบทางเคมีของวัสดุ การเปลี่ยนแปลงมุมการบิดระหว่างชั้นของวัสดุ 2D เป็นแนวทางที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง และความเป็นไปได้ที่เกี่ยวข้องได้ก่อให้เกิดสาขาวิศวกรรมอุปกรณ์ใหม่ที่เรียกว่า twistronics ปัญหาคือมุมบิดนั้นควบคุมได้ยาก และหากพื้นที่ที่แตกต่างกันของตัวอย่างมีมุมบิดที่กระจายไม่เท่ากัน คุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ของตัวอย่างจะแตกต่างกันไปในแต่ละตำแหน่ง สิ่งนี้ยังห่างไกลจากอุดมคติสำหรับอุปกรณ์ประสิทธิภาพสูง ดังนั้นนักวิจัยจึงได้สำรวจวิธีที่จะทำให้เห็นภาพความไม่สอดคล้องกันดังกล่าวได้แม่นยำยิ่งขึ้น

วิธีการใหม่ที่ใช้ sMIM

ในงานใหม่ นำทีมโดย ฮองจุนเกา และ ซือหยู จู้ ของ สถาบันฟิสิกส์ สถาบันวิทยาศาสตร์จีนได้ดัดแปลงวิธีการที่เรียกว่าการสแกนกล้องจุลทรรศน์อิมพีแดนซ์ไมโครเวฟ (sMIM) ที่เพิ่งพัฒนาขึ้นโดย จื้อซุน เสิน และเพื่อนร่วมงานที่ มหาวิทยาลัย Stanford ในสหรัฐอเมริกา. วิธีการดัดแปลงเกี่ยวข้องกับการใช้ช่วงแรงดันไฟฟ้าเกตกับตัวอย่าง และการวิเคราะห์ความผันผวนของค่าการนำไฟฟ้าในข้อมูล sMIM ที่ตำแหน่งต่างๆ ในตัวอย่าง "กระบวนการนี้ให้แรงดันเกตที่สอดคล้องกับช่องว่างของแถบคลื่น moiré ซึ่งบ่งชี้ถึงแถบอิเล็กทรอนิกส์ที่มีประจุเต็ม ซึ่งเผยให้เห็นรายละเอียดโดยตรงเกี่ยวกับ superlattice ของ moiré และมุมบิดเฉพาะที่" Zhu อธิบาย

เมื่อนักวิจัยทดสอบวิธีนี้กับตัวอย่างคุณภาพสูงของกราฟีนแบบบิดสองชั้นที่เพื่อนร่วมงานประดิษฐ์ขึ้น เฉียนหยิง หู, หยาง ซู และ เจียเว่ย หูโดยสามารถตรวจจับความแปรผันของมุมการบิดได้โดยตรง พวกเขายังรวบรวมข้อมูลเกี่ยวกับการนำไฟฟ้าของพื้นที่เฉพาะที่ และระบุลักษณะสถานะอิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ เช่น สถานะควอนตัมฮอลล์และฉนวน Chern โดยการใช้สนามแม่เหล็กนอกระนาบ “เราทำการวัดเหล่านี้ไปพร้อมๆ กัน” Zhu กล่าว “สิ่งนี้ทำให้เราสามารถรับข้อมูลสถานะควอนตัมได้โดยตรงภายใต้เงื่อนไขมุมบิดท้องถิ่นที่แตกต่างกัน”

เทคนิคใหม่เผยให้เห็นความแปรผันที่เด่นชัดในมุมบิดเฉพาะที่ประมาณ 0.3° ในระยะห่างหลายไมครอน เขากล่าวเสริม นอกจากนี้ยังช่วยให้ทีมงานสามารถวัดค่าการนำไฟฟ้าในท้องถิ่นได้ ซึ่งไม่สามารถทำได้ด้วยวิธีการอื่นที่ใช้ทรานซิสเตอร์อิเล็กตรอนเดี่ยวในการวัดความสามารถในการอัดหรือ nanoSQUID เพื่อวัดสนามแม่เหล็ก ยิ่งไปกว่านั้น สำหรับตัวอย่างของกราฟีนแบบบิดสองชั้นที่หุ้มด้วยชั้นฉนวน BN วิธีการใหม่นี้มีข้อได้เปรียบเหนือกว่ากล้องจุลทรรศน์แบบอุโมงค์สแกนแบบเดิม เนื่องจากสามารถทะลุผ่านชั้นฉนวนได้

สำรวจสถานะควอนตัมใหม่

“งานของเราได้เผยให้เห็นความแปรผันของมุมบิดเฉพาะที่ภายในและระหว่างโดเมนของวัสดุสองมิติที่บิดเบี้ยว” Zhu กล่าว โลกฟิสิกส์- “สิ่งนี้ทำให้เรามีความเข้าใจลึกซึ้งยิ่งขึ้นเกี่ยวกับสถานะระดับจุลทรรศน์ของกลุ่มตัวอย่าง ทำให้เราสามารถอธิบายปรากฏการณ์การทดลองหลายอย่างที่เคยพบในการวัดแบบ 'ค่าเฉลี่ยจำนวนมาก' ได้ นอกจากนี้ยังเป็นช่องทางในการสำรวจสถานะควอนตัมแบบใหม่ที่ยากต่อการสังเกตด้วยตาเปล่า โดยให้ข้อมูลเชิงลึกจากมุมมองของกล้องจุลทรรศน์”

ด้วยการวัดเหล่านี้ ความไม่สม่ำเสมอของมุมบิดเฉพาะที่ในวัสดุสองมิติที่บิดเบี้ยวไม่ควรเป็นอุปสรรคต่อการศึกษาสถานะควอนตัมใหม่อีกต่อไป เขากล่าวเสริม "แต่ต้องขอบคุณการกระจายมุมการบิดเฉพาะจุดที่เราสังเกตมา ทำให้ตอนนี้สามารถเปรียบเทียบสถานะควอนตัมต่างๆ ได้พร้อมๆ กันภายใต้เงื่อนไขมุมการบิดเฉพาะจุดและเงื่อนไขโครงสร้างแถบความถี่ในตัวอย่างเดียว"

ขณะนี้นักวิจัยตั้งเป้าที่จะขยายเทคนิคของพวกเขาไปสู่ระบบบิดเบี้ยวและระบบ moiré ที่มีโครงสร้างต่างกัน เช่น ในวัสดุเช่น MoTe สองชั้นบิด₂ และ WSe₂/วส₂- นอกจากนี้ พวกเขายังต้องการดำเนินการวัดค่าเฉลี่ยจำนวนมาก และเปรียบเทียบผลลัพธ์เหล่านี้กับการวัดในท้องถิ่นโดยใช้วิธีการใหม่

• เนื้อหาที่ขับเคลื่อนด้วย SEO และการเผยแพร่ประชาสัมพันธ์ รับการขยายวันนี้
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai เพิ่มพลังให้กับตัวเอง เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตไอสตรีม. Web3 อัจฉริยะ ขยายความรู้ เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตESG. คาร์บอน, คลีนเทค, พลังงาน, สิ่งแวดล้อม แสงอาทิตย์, การจัดการของเสีย. เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตสุขภาพ เทคโนโลยีชีวภาพและข่าวกรองการทดลองทางคลินิก เข้าถึงได้ที่นี่.
• ที่มา: https://physicsworld.com/a/local-twist-angles-in-graphene-come-into-view/