Tweedimensionale (2-D) materialen zoals grafeen hebben een unieke elektronische, magnetisch, optisch, en mechanische eigenschappen die beloven innovatie te stimuleren op gebieden van elektronica tot energie tot materialen tot medicijnen. Onderzoekers van de Columbia University melden een grote vooruitgang die een revolutie teweeg kan brengen in het veld, een "twistronic" apparaat waarvan de kenmerken kunnen worden gevarieerd door eenvoudigweg de hoek te variëren tussen twee verschillende 2D-lagen die op elkaar zijn geplaatst.

In een paper dat vandaag online is gepubliceerd in Wetenschap , het team demonstreert een nieuwe apparaatstructuur die hen niet alleen ongekende controle geeft over de hoekoriëntatie in apparaten met gedraaide lagen, maar stelt hen ook in staat om deze hoek in situ te variëren, zodat de effecten van draaihoek op elektronische, optisch, en mechanische eigenschappen kunnen in een enkel apparaat worden bestudeerd.

Onder leiding van Cory Dean (natuurkunde, Columbia University) en James Hone (werktuigbouwkunde, Colombia Engineering), het team bouwde voort op technieken die ze eerder pionierden om grafeen en andere 2D-materialen mechanisch te coaten, de een boven op de ander, nieuwe structuren te vormen. "Dit mechanische assemblageproces stelt ons in staat om verschillende kristallen te mixen en matchen om geheel nieuwe materialen te construeren, vaak met eigenschappen die fundamenteel verschillen van de samenstellende lagen, " zegt Hon, leider van Columbia's Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC), die de eigenschappen van deze heterostructuren onderzoekt. "Met honderden beschikbare 2D-materialen, de ontwerpmogelijkheden zijn enorm."

Recente studies hebben aangetoond dat rotatie-uitlijning tussen de lagen een uiterst belangrijke rol speelt bij het bepalen van de nieuwe eigenschappen die ontstaan ​​wanneer materialen worden gecombineerd. Bijvoorbeeld, wanneer geleidend grafeen bovenop isolerend boornitride wordt geplaatst met de kristalroosters perfect uitgelijnd, grafeen ontwikkelt een band gap. Bij niet-nul hoeken, de band gap verdwijnt en de intrinsieke eigenschappen van grafeen worden hersteld. Alleen afgelopen maart, onderzoekers van MIT rapporteerden de baanbrekende ontdekking dat twee gestapelde lagen grafeen exotische eigenschappen kunnen vertonen, waaronder supergeleiding wanneer de draaihoek ertussen is ingesteld op 1,1 graden, aangeduid als de "magische hoek".

In eerdere benaderingen voor het fabriceren van structuren met rotatie slecht uitgelijnde lagen, de hoek werd ingesteld tijdens het montageproces. Dit betekende dat zodra het apparaat was gemaakt, zijn eigenschappen stonden vast. "We vonden deze aanpak frustrerend, aangezien zeer kleine fouten in de uitlijning totaal verschillende resultaten kunnen geven, ", zegt Dean. "Het zou geweldig zijn om een ​​apparaat te maken waarin we de eigenschappen ervan kunnen bestuderen terwijl we de lagen continu roteren en dus was de vraag:hoe doe je dit?"

Het antwoord, de Columbia-onderzoekers beseften, was om te profiteren van de lage wrijving die bestaat op het grensvlak tussen de lagen, die bij elkaar worden gehouden door van der Waals-krachten die veel zwakker zijn dan de atomaire bindingen in elke laag. Deze lage wrijving - waardoor 2D-materialen zeer geschikt zijn als vaste smeermiddelen - maakt gecontroleerde montage onder een gewenste hoek erg moeilijk. De Columbia-groep gebruikte de lage wrijvingskarakteristiek in hun voordeel door een apparaatstructuur te ontwerpen waarin, in plaats van rotatie te voorkomen, ze zouden opzettelijk en controleerbaar de rotatiehoek kunnen variëren.

Het team gebruikte grafeen/boor-nitride heterostructuren om het bereik van hun techniek te demonstreren. In deze structuren wanneer de lagen niet kristallografisch uitgelijnd zijn, de materialen behouden hun oorspronkelijke eigenschappen (bijv. grafeen zal een semi-metalen karakter hebben) maar wanneer de lagen zijn uitgelijnd, de eigenschappen van grafeen veranderen, een energiekloof openen en zich gedragen als een halfgeleider. De onderzoekers toonden aan dat deze fijnafstemming van de eigenschappen van de heterostructuur de optische, mechanisch, en elektronische reacties.

"Opmerkelijk, we hebben aangetoond dat de energiekloof die wordt waargenomen in grafeen afstembaar is en op aanvraag kan worden in- of uitgeschakeld door de oriëntatie tussen de lagen te veranderen, " zegt Rebeca Ribeiro, die dit werk leidde als postdoctoraal onderzoeker aan Columbia en nu een CNRS-onderzoeker is bij het Franse Centrum voor Nanowetenschappen en Nanotechnologie (C2N-CNRS). "Het afstemmen van deze energiekloof is niet alleen een grote stap in de richting van het toekomstige gebruik van grafeen in uiteenlopende toepassingen, maar biedt ook een algemene demonstratie waarin de apparaateigenschappen van 2D-materialen dramatisch worden gevarieerd met rotatie "

Vanuit technologisch oogpunt, de mogelijkheid om de eigenschappen van een gelaagd materiaal af te stemmen door de draaihoek te variëren, biedt de mogelijkheid voor een enkel materiaalplatform om verschillende functies uit te voeren. Bijvoorbeeld, elektronische circuits zijn opgebouwd uit een eindig aantal componenten, waaronder metalen geleiders, isolatoren, halfgeleiders, en magnetische materialen. Dit proces vereist de integratie van een verscheidenheid aan verschillende materialen en kan een aanzienlijke technische uitdaging vormen. In tegenstelling tot, een enkel materiaal dat lokaal kan worden "gedraaid" om elk van deze componenten te realiseren, zou aanzienlijke nieuwe technische mogelijkheden kunnen bieden.

In aanvulling, de mogelijkheid om een ​​systeem dynamisch af te stemmen met mechanisch draaien biedt een nieuwe schakelmogelijkheid die geheel nieuwe apparaattoepassingen mogelijk maakt. Bijvoorbeeld, traditionele schakelaars variëren doorgaans tussen twee goed gedefinieerde toestanden (aan of uit, magnetisch of niet, enzovoort.). Het Columbia-platform zou de mogelijkheid kunnen bieden om te schakelen tussen een willekeurig aantal complementaire staten.

Dean en Hone gebruiken nu hun nieuwe techniek om andere combinaties van 2D-materialen te bestuderen waarin de eigenschappen kunnen worden afgestemd door hoekuitlijning. Ze kijken in het bijzonder naar de recente ontdekking van supergeleiding in gedraaid dubbellaags grafeen en onderzoeken of dit een algemeen kenmerk kan zijn van gedraaide dubbellagen gemaakt van willekeurige 2D-materialen.

Dean voegt toe, "Onze studie toont een nieuwe mate van vrijheid aan, namelijk rotatieoriëntatie tussen lagen, dat bestaat gewoon niet in conventionele heterostructuren van halfgeleiders. Dit is een zeldzame gelegenheid op het gebied van halfgeleiders waar we echt een nieuwe weg inslaan, en opent de deur naar een heel nieuw onderzoeksgebied waar materiaaleigenschappen kunnen worden gevarieerd door simpelweg de structuur te draaien."

De studie is getiteld "Twistable electronics with dynamicly rotable heterostructures".