Skręcona elektronika otwiera drzwi do dostrajania materiałów 2D

Anonim

Dwuwymiarowe (2-D) materiały, takie jak grafen, mają unikalne właściwości elektroniczne, magnetyczne, optyczne i mechaniczne, które obiecują wprowadzać innowacje w obszarach od elektroniki przez energię po materiały i leki. Badacze z Columbia University donoszą o dużym postępie, który może zrewolucjonizować pole, "twistronic", którego charakterystyka może być zmieniana przez proste zmienianie kąta między dwiema różnymi warstwami 2-D umieszczonymi jedna na drugiej.

W artykule opublikowanym dzisiaj w Science, zespół demonstruje nowatorską strukturę urządzeń, która nie tylko daje im niespotykaną dotąd kontrolę nad orientacją kątową w urządzeniach z warstwą skręconą, ale także pozwala im zmieniać ten kąt in situ, tak aby efekty skrętu kąt w zakresie właściwości elektronicznych, optycznych i mechanicznych można badać w jednym urządzeniu.

Prowadzone przez Cory Dean (fizyka, Columbia University) i Jamesa Hone'a (inżynieria mechaniczna, Columbia Engineering), zespół zbudował na technikach, które wcześniej wprowadzili do mechanicznego warstwowania grafenu i innych materiałów 2-D, jeden na drugim, tworząc nowe Struktury. "Ten proces montażu mechanicznego pozwala nam mieszać i dopasowywać różne kryształy w celu konstruowania całkowicie nowych materiałów, często o właściwościach zasadniczo różniących się od warstw składowych", mówi Hone, lider Columbia Research Science and Engineering Center (MRSEC), który bada właściwości tych heterostruktur. "Dostępne są setki materiałów 2D, więc możliwości projektowania są ogromne".

Ostatnie badania wykazały, że wyrównanie rotacyjne pomiędzy warstwami odgrywa kluczową rolę w określaniu nowych właściwości, które powstają, gdy materiały są łączone. Na przykład, gdy grafen jest umieszczany na wierzchu izolującego azotku boru z idealnie wyrównanymi siatkami krystalicznymi, grafen tworzy pasmo wzbronione. Przy kątach niezerowych znika pasmo i odzyskuje się wewnętrzne właściwości grafenu. Już w marcu ubiegłego roku naukowcy z MIT donieśli o przełomowym odkryciu, że dwie ułożone warstwy grafenu mogą wykazywać egzotyczne właściwości, w tym nadprzewodnictwo, gdy kąt skrętu między nimi jest ustawiony na 1, 1 stopnia, zwany "magicznym kątem".

We wcześniejszych podejściach do konstruowania struktur o niewspółosiowo nachylonych warstwach kąt był ustalany podczas procesu montażu. Oznaczało to, że po wytworzeniu urządzenia jego właściwości zostały naprawione. "Stwierdziliśmy, że to podejście jest frustrujące, ponieważ bardzo małe błędy w dopasowaniu mogą dać zupełnie inne wyniki" - mówi Dean. "Byłoby wspaniale zrobić urządzenie, w którym moglibyśmy badać jego właściwości, ciągle obracając jego warstwy, a więc pytanie brzmiało: jak to zrobić?"

Odpowiedź, jak uświadomili sobie naukowcy z Kolumbii, polegała na wykorzystaniu niskiego tarcia, które istnieje na granicy między warstwami, które są utrzymywane razem przez siły van der Waalsa, które są znacznie słabsze niż wiązania atomowe w każdej warstwie. To niskie tarcie, które sprawia, że ​​materiały 2-D są bardzo dobre jako stałe smary, sprawia, że ​​kontrolowany montaż pod pożądanym kątem jest bardzo trudny. Grupa Columbia wykorzystała charakterystykę niskiego tarcia na swoją korzyść, projektując strukturę urządzenia, w której, zamiast zapobiegać obrotowi, mogli celowo i kontrolnie zmieniać kąt obrotu.

Zespół wykorzystał heterostruktury grafen / boron-azotek, aby pokazać zasięg ich techniki. W tych strukturach, gdy warstwy nie są wyrównane krystalograficznie, materiały zachowują swoje pierwotne właściwości (np. Grafen będzie miał charakter półmetaliczny), ale gdy warstwy są wyrównane, właściwości grafenu zmieniają się, otwierając lukę energetyczną i zachowując się jak półprzewodnik. Naukowcy wykazali, że to precyzyjne dostrojenie właściwości heterostruktury wpływa na jej odpowiedzi optyczne, mechaniczne i elektroniczne.

"W szczególności wykazaliśmy, że luka energetyczna obserwowana w grafenie może być przestrajana i może być włączana lub wyłączana na żądanie, po prostu poprzez zmianę orientacji między warstwami", mówi Rebeca Ribeiro, która kierowała tą pracą jako doktorantka w Columbia i jest obecnie naukowcem CNRS w Francuskim Centrum Nanonauki i Nanotechnologii (C2N-CNRS). "Dostrojenie tej luki energetycznej stanowi nie tylko duży krok w kierunku przyszłego wykorzystania grafenu w różnych zastosowaniach, ale także zapewnia ogólną demonstrację, w której właściwości urządzenia materiałów 2D są drastycznie różne w przypadku obrotu"

Z technologicznego punktu widzenia możliwość dostrojenia właściwości materiału warstwowego poprzez zmianę kąta skrętu daje możliwość, aby pojedyncza platforma materiałowa spełniała szereg funkcji. Na przykład obwody elektroniczne są zbudowane ze skończonej liczby elementów, w tym przewodów metalowych, izolatorów, półprzewodników i materiałów magnetycznych. Proces ten wymaga integracji różnych materiałów i może stanowić znaczące wyzwanie inżynieryjne. W przeciwieństwie do tego, pojedynczy materiał, który może być lokalnie "skręcony", aby zrealizować każdy z tych komponentów, może umożliwić znaczące nowe możliwości inżynieryjne.

Ponadto możliwość dynamicznego dostrajania systemu za pomocą mechanicznego skręcania oferuje nową możliwość przełączania, która może umożliwić całkowicie nowe aplikacje urządzeń. Na przykład tradycyjne przełączniki zazwyczaj różnią się między dwoma wyraźnie określonymi stanami (włączanie lub wyłączanie, magnetyczne lub nie, itp.). Platforma Columbia może umożliwić przełączanie pomiędzy dowolną liczbą stanów komplementarnych.

Dean i Hone używają teraz nowej techniki do badania innych kombinacji materiałów 2-D, w których właściwości można dostroić za pomocą kątowego wyrównania. W szczególności przyglądają się niedawnemu odkryciu nadprzewodnictwa w skręconym dwuwarstwowym grafenie i badają, czy może to być ogólna cecha skręconych dwuwarstw wykonanych z dowolnych materiałów 2D.

Dean dodaje: "Nasze badanie demonstruje nowy stopień swobody, mianowicie orientację obrotową między warstwami, która nie istnieje w konwencjonalnych heterostrukturach półprzewodnikowych. Jest to rzadka okazja w dziedzinie półprzewodników, w której naprawdę rozwijamy nową ścieżkę i otwiera się drzwi do zupełnie nowej dziedziny badań, w których właściwości materiałów można zmieniać po prostu przez skręcenie struktury. "

Badanie nosi tytuł "Twistable electronics with dynamically rotatable heterostructures".

menu
menu