Een materiaal dat bestaat uit twee lagen koolstof van één atoom dik, heeft wereldwijd de aandacht getrokken van natuurkundigen vanwege zijn intrigerende en potentieel exploiteerbare geleidende eigenschappen.

Dr. Fan Zhang, assistent-professor natuurkunde aan de School of Natural Sciences and Mathematics aan de University of Texas in Dallas, en natuurkunde-doctoraat Qiyue Wang publiceerde in juni een artikel met de groep van Dr. Fengnian Xia aan de Yale University in Natuurfotonica dat beschrijft hoe het vermogen van gedraaid dubbellaags grafeen om elektrische stroom te geleiden verandert als reactie op midden-infrarood licht.

Van één naar twee lagen

Grafeen is een enkele laag koolstofatomen gerangschikt in een plat honingraatpatroon, waarbij elke zeshoek wordt gevormd door zes koolstofatomen op de hoekpunten. Sinds de eerste isolatie van grafeen in 2004, zijn unieke eigenschappen zijn intensief bestudeerd door wetenschappers voor mogelijk gebruik in geavanceerde computers, materialen en apparaten.

Als twee vellen grafeen op elkaar worden gestapeld, en één laag is zo gedraaid dat de lagen een beetje scheef staan, de resulterende fysieke configuratie, genaamd gedraaid dubbellaags grafeen, levert elektronische eigenschappen op die aanzienlijk verschillen van die van een enkele laag alleen of door twee uitgelijnde lagen.

"Grafeen is al ongeveer 15 jaar interessant, " zei Zhang. "Een enkele laag is interessant om te bestuderen, maar als we twee lagen hebben, hun interactie zou de natuurkunde veel rijker en interessanter moeten maken. Daarom willen we dubbellaagse grafeensystemen bestuderen."

Een nieuw veld ontstaat

Wanneer de grafeenlagen niet goed zijn uitgelijnd, er ontstaat een nieuw periodiek ontwerp in de mesh, een moirépatroon genoemd. Het moirépatroon is ook een zeshoek, maar het kan uit meer dan 10 bestaan, 000 koolstofatomen.

"De hoek waaronder de twee lagen grafeen niet goed zijn uitgelijnd - de draaihoek - is van cruciaal belang voor de elektronische eigenschappen van het materiaal, " zei Wang. "Hoe kleiner de draaihoek, hoe groter de moiré-periodiciteit."

De ongebruikelijke effecten van specifieke draaihoeken op het elektronengedrag werden voor het eerst voorgesteld in een artikel uit 2011 door Dr. Allan MacDonald, hoogleraar natuurkunde aan de UT Austin, en Dr. Rafi Bistritzer. Zhang was getuige van de geboorte van dit vakgebied als promovendus in de groep van MacDonald.

"In die tijd, anderen schonken echt geen aandacht aan de theorie, maar nu is het misschien wel het populairste onderwerp in de natuurkunde geworden, ' zei Zhang.

In dat onderzoek uit 2011 voorspelden MacDonald en Bistritzer dat de kinetische energie van elektronen kan verdwijnen in een grafeendubbellaag die niet goed is uitgelijnd door de zogenaamde "magische hoek" van 1,1 graden. in 2018, onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology hebben deze theorie bewezen, ontdekken dat het verschuiven van twee grafeenlagen met 1,1 graden een tweedimensionale supergeleider produceerde, een materiaal dat elektrische stroom geleidt zonder weerstand en zonder energieverlies.

In een artikel uit 2019 in Science Advances, Zhang en Wang, samen met de groep van Dr. Jeanie Lau aan de Ohio State University, toonde aan dat wanneer gecompenseerd door 0,93 graden, gedraaid dubbellaags grafeen vertoont zowel supergeleidende als isolerende toestanden, waardoor de magische hoek aanzienlijk wordt vergroot.

"In ons vorige werk, we zagen zowel supergeleiding als isolatie. Dat maakt de studie van gedraaid dubbellaags grafeen zo'n heet veld:supergeleiding. Het feit dat je pure koolstof kunt manipuleren tot supergeleiding is verbazingwekkend en ongekend, ' zei Wang.

Nieuwe UT Dallas-bevindingen

In zijn meest recente onderzoek in Nature Photonics, Zhang en zijn medewerkers bij Yale onderzochten of en hoe gedraaid dubbellaags grafeen interageert met midden-infrarood licht, die mensen niet kunnen zien, maar wel als warmte kunnen detecteren.

"Interacties tussen licht en materie zijn nuttig in veel apparaten, bijvoorbeeld zonlicht omzetten in elektrische energie, Wang zei. "Bijna elk object zendt infrarood licht uit, inclusief mensen, en dit licht kan worden gedetecteerd met apparaten."

Zhang is een theoretisch fysicus, dus gingen hij en Wang op zoek naar hoe mid-infrarood licht de geleiding van elektronen in gedraaid dubbellaags grafeen zou kunnen beïnvloeden. Hun werk omvatte het berekenen van de lichtabsorptie op basis van de bandstructuur van het moirépatroon, een concept dat bepaalt hoe elektronen kwantummechanisch in een materiaal bewegen.

"Grafeen is al zo'n 15 jaar interessant. Een enkele laag is interessant om te bestuderen, maar als we twee lagen hebben, hun interactie zou de natuurkunde veel rijker en interessanter moeten maken. Dit is waarom we dubbellaagse grafeensystemen willen bestuderen, " hij zegt.

"Er zijn standaard manieren om de bandstructuur en lichtabsorptie in een gewoon kristal te berekenen, maar dit is een kunstmatig kristal, dus moesten we een nieuwe methode bedenken, " zei Wang. Met behulp van middelen van het Texas Advanced Computing Center, een supercomputerfaciliteit op de campus van de UT Austin, Wang berekende de bandstructuur en liet zien hoe het materiaal licht absorbeert.

De Yale-groep fabriceerde apparaten en voerde experimenten uit die aantoonden dat de midden-infrarode fotorespons - de toename in geleiding door het schijnende licht - ongewoon sterk en het grootst was bij een draaihoek van 1,8 graden. De sterke fotorespons verdween voor een draaihoek van minder dan 0,5 graden.

"Onze theoretische resultaten kwamen niet alleen goed overeen met de experimentele bevindingen, maar wees ook op een mechanisme dat fundamenteel verbonden is met de periode van het moirépatroon, die zelf verbonden is met de draaihoek tussen de twee grafeenlagen, ' zei Zhang.

Volgende stap

"De draaihoek is duidelijk erg belangrijk bij het bepalen van de eigenschappen van gedraaid dubbellaags grafeen, " voegde Zhang toe. "De vraag rijst:kunnen we dit toepassen om andere tweedimensionale materialen af ​​te stemmen om ongekende functies te krijgen? Ook, kunnen we de fotorespons en de supergeleiding combineren in gedraaid dubbellaags grafeen? Bijvoorbeeld, kan het schijnen van een licht supergeleiding induceren of op de een of andere manier moduleren? Dat wordt heel interessant om te bestuderen."

"Deze nieuwe doorbraak zal mogelijk een nieuwe klasse infrarooddetectoren mogelijk maken op basis van grafeen met een hoge gevoeligheid, " zei Dr. Joe Qiu, programmamanager voor solid-state elektronica en elektromagnetisme bij het U.S. Army Research Office (ARO), een onderdeel van het Army Research Laboratory van het Amerikaanse leger Combat Capabilities Development Command. "Deze nieuwe detectoren zullen mogelijk gevolgen hebben voor toepassingen zoals nachtzicht, die van cruciaal belang is voor het Amerikaanse leger."