Zlaganje plasti dvodimenzionalnih materialov eno na drugo in spreminjanje kota zasuka med njimi močno spremeni njihove elektronske lastnosti. Trik je v tem, da dobite pravi kot zasuka in da veste, kdaj ste to storili. Raziskovalci na Kitajskem so zdaj razvili tehniko, ki pomaga pri drugem delu tega izziva. Z omogočanjem znanstvenikom, da neposredno vizualizirajo razlike v lokalnih kotih zasuka, je nova tehnika osvetlila elektronsko strukturo zvitih materialov in pospešila razvoj naprav, ki izkoriščajo njihove lastnosti.

Grafen (2D oblika ogljika z debelino le enega atoma) nima elektronske vrzeli. Prav tako ne par plasti grafena, ki so zložene ena na drugo. Če pa v sklad dodate drug 2D material, imenovan heksagonalni borov nitrid (hBN), se pojavi pasovna vrzel. To je zato, ker je konstanta mreže hBN – merilo, kako so razporejeni njegovi atomi – skoraj enaka konstanti grafena, vendar ne povsem. Rahlo neujemajoče se plasti grafena in hBN tvorijo večjo strukturo, znano kot moiré supermreža, in interakcije med bližnjimi atomi v tej supermreži omogočajo nastanek vrzeli. Če se plasti nato zvijejo tako, da so še bolj neporavnane, mrežne interakcije oslabijo in pasovna vrzel izgine.

Doseganje takšnih sprememb v običajnih materialih običajno zahteva, da znanstveniki spremenijo kemično sestavo materialov. Spreminjanje kota zasuka med plastmi 2D materiala je povsem drugačen pristop in s tem povezane možnosti so sprožile novo področje inženiringa naprav, znano kot twistronics. Težava je v tem, da je kote zasuka težko nadzorovati, in če različna področja vzorca vsebujejo neenakomerno porazdeljene kote zasuka, se bodo elektronske lastnosti vzorca razlikovale od lokacije do lokacije. To še zdaleč ni idealno za visoko zmogljive naprave, zato raziskovalci raziskujejo načine za natančnejšo vizualizacijo takšnih nehomogenosti.

Nova metoda, ki temelji na sMIM

V novem delu je ekipa pod vodstvom Hong-Jun Gao in Shiyu Zhu od Inštitut za fiziko Kitajske akademije znanosti, prilagodil metodo, imenovano skenirajoča mikrovalovna impedančna mikroskopija (sMIM), ki jo je nedavno razvil Zhixun Shen in sodelavci pri Univerza Stanford v ZDA. Prilagojena metoda vključuje uporabo niza napetosti vrat na vzorec in analiziranje nihanj prevodnosti v podatkih sMIM na različnih mestih v njem. "Ta proces zagotavlja napetosti vrat, ki ustrezajo moiré pasovnim vrzeli, ki kažejo na popolnoma zapolnjene elektronske pasove, neposredno razkrivajo podrobnosti o moiré supermreži in lokalnih kotih zasuka," pojasnjuje Zhu.

Ko so raziskovalci preizkusili to metodo na visokokakovostnih vzorcih zvitega dvoslojnega grafena, ki so ga izdelali njihovi kolegi Qianying Hu, Yang Xu in Jiawei Hu, so lahko neposredno zaznali variacije kotov zasuka. Zbrali so tudi informacije o prevodnosti lokaliziranih območij in z uporabo izvenravninskih magnetnih polj označili druga elektronska stanja, kot so kvantna Hallova stanja in Chernovi izolatorji. "Te meritve smo opravili sočasno," ugotavlja Zhu. "To nam je omogočilo, da neposredno pridobimo informacije o kvantnem stanju pod različnimi lokalnimi pogoji kota zasuka."

Nova tehnika je razkrila izrazite razlike v lokalnih kotih zasuka okoli 0.3 ° na razdaljah več mikronov, dodaja. Ekipi je omogočil tudi merjenje lokalne prevodnosti, kar ni mogoče z alternativnimi metodami, ki uporabljajo tranzistorje z enim elektronom za merjenje stisljivosti ali nanoSQUID za merjenje magnetnih polj. Še več, za vzorce zvitega dvoslojnega grafena, prekritega z izolacijsko plastjo BN, ima nova metoda pomembno prednost pred običajno vrstično tunelsko mikroskopijo, saj lahko prodre skozi izolacijsko plast.

Raziskovanje novih kvantnih stanj

"Naše delo je razkrilo lokalno variacijo kota zasuka znotraj in med domenami zvitega dvodimenzionalnega materiala," pravi Zhu Svet fizike. »To je poglobilo naše razumevanje mikroskopskega stanja vzorca in nam omogočilo razlago številnih eksperimentalnih pojavov, ki smo jih prej opazili pri meritvah 'skupnega povprečja'. Zagotavlja tudi način za raziskovanje novih kvantnih stanj, ki jih je težko opazovati makroskopsko, in ponuja vpogled iz mikroskopske perspektive.

Zahvaljujoč tem meritvam neenakomernost lokalnih kotov zasuka v zvitih dvodimenzionalnih materialih ne bi smela več biti ovira za preučevanje novih kvantnih stanj, dodaja. "Namesto tega, zahvaljujoč bogati porazdelitvi lokalnih kotov zasuka, ki smo jih opazili, bi moralo biti zdaj mogoče istočasno primerjati različna kvantna stanja pod več lokalnimi pogoji kota zasuka in pogoji pasovne strukture v enem samem vzorcu."

Raziskovalci zdaj nameravajo razširiti svojo tehniko na širši nabor zvitih sistemov in heterostrukturnih moiré sistemov – na primer v materialih, kot je zvit dvoslojni MoTe₂ in WSe₂/WS₂. Prav tako bi radi izvedli množične povprečne meritve in te rezultate primerjali z lokalnimi meritvami z njihovo novo metodo.

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/local-twist-angles-in-graphene-come-into-view/