Natuurkundigen van de Universiteit van Sheffield hebben ontdekt dat wanneer twee atomair dunne grafeenachtige materialen op elkaar worden geplaatst, hun eigenschappen veranderen, en er ontstaat een materiaal met nieuwe hybride eigenschappen, de weg vrijmaken voor het ontwerpen van nieuwe materialen en nano-apparaten.

Dit gebeurt zonder de twee atomaire lagen fysiek te mengen, noch door een chemische reactie, maar door de lagen aan elkaar te bevestigen via een zwakke zogenaamde van der Waals-interactie - vergelijkbaar met hoe een plakband zich hecht aan een plat oppervlak.

In de baanbrekende studie gepubliceerd in Natuur , wetenschappers hebben ook ontdekt dat de eigenschappen van het nieuwe hybride materiaal nauwkeurig kunnen worden gecontroleerd door de twee gestapelde atomaire lagen te draaien, de weg vrijmaken voor het gebruik van deze unieke vrijheidsgraad voor de controle op nanoschaal van composietmaterialen en nano-apparaten in toekomstige technologieën.

Het idee om lagen van verschillende materialen op elkaar te stapelen om zogenaamde heterostructuren te maken gaat terug tot de jaren 60, toen halfgeleider galliumarsenide werd onderzocht voor het maken van miniatuurlasers - die nu veel worden gebruikt.

Vandaag, heterostructuren komen veel voor en worden zeer breed gebruikt in de halfgeleiderindustrie als een hulpmiddel om elektronische en optische eigenschappen in apparaten te ontwerpen en te regelen.

Meer recentelijk in het tijdperk van atomair dunne tweedimensionale (2-D) kristallen, zoals grafeen, nieuwe soorten heterostructuren zijn ontstaan, waar atomair dunne lagen bij elkaar worden gehouden door relatief zwakke van der Waals-krachten.

De nieuwe structuren met de bijnaam 'van der Waals heterostructuren' openen een enorm potentieel om talloze 'meta'-materialen en nieuwe apparaten te creëren door een willekeurig aantal atomair dunne lagen op elkaar te stapelen. Honderden combinaties worden mogelijk die anders ontoegankelijk zijn in traditionele driedimensionale materialen, mogelijk toegang geven tot nieuwe onontgonnen opto-elektronische apparaatfunctionaliteit of ongebruikelijke materiaaleigenschappen.

In de studie gebruikten onderzoekers van der Waals heterostructuren gemaakt van zogenaamde overgangsmetaal dichalcogeniden (TMD's), een brede familie van gelaagde materialen. In hun driedimensionale bulkvorm lijken ze enigszins op grafiet - het materiaal dat wordt gebruikt in potloodstiften - waaruit grafeen werd gewonnen als een enkele 2-D atomaire laag koolstof.

De onderzoekers ontdekten dat wanneer twee atomair dunne halfgeleidende TMD's worden gecombineerd in een enkele structuur, hun eigenschappen hybridiseren.

Professor Alexander Tartakovskii, van de afdeling Natuur- en Sterrenkunde aan de Universiteit van Sheffield, zei:"De materialen beïnvloeden elkaar en veranderen elkaars eigenschappen, en moeten worden beschouwd als een geheel nieuw 'meta'-materiaal met unieke eigenschappen - dus één plus één maakt geen twee.

"We vinden ook dat de mate van dergelijke hybridisatie sterk afhankelijk is van de draaiing tussen de individuele atoomroosters van elke laag.

"We merken dat bij het verdraaien van de lagen, de nieuwe supra-atomaire periodiciteit ontstaat in de heterostructuur - een moiré-superrooster genoemd.

"Het moiré-superrooster, met de periode die afhankelijk is van de draaihoek bepaalt hoe de eigenschappen van de twee halfgeleiders hybridiseren."

In andere onderzoeken, soortgelijke effecten zijn vooral ontdekt en bestudeerd in grafeen, het 'stichtende' lid van de 2D-materialenfamilie. De laatste studie toont aan dat andere materialen, met name halfgeleiders zoals TMD's, sterke hybridisatie vertonen, die bovendien kan worden geregeld door de draaihoek.

Wetenschappers geloven dat de studie een enorm potentieel aantoont voor het creëren van nieuwe soorten materialen en apparaten.

Professor Tartakovskii voegde toe:"Het meer complexe beeld van interactie tussen atomair dunne materialen binnen van der Waals heterostructuren komt naar voren. Dit is opwindend, omdat het de mogelijkheid biedt om toegang te krijgen tot een nog breder scala aan materiaaleigenschappen, zoals ongebruikelijke en twist-afstembare elektrische geleidbaarheid en optische respons, magnetisme enz. Dit kan en zal worden gebruikt als nieuwe vrijheidsgraden bij het ontwerpen van nieuwe op 2D gebaseerde apparaten."

Onderzoekers willen graag verder onderzoek doen om meer materiaalcombinaties te onderzoeken om te zien wat de mogelijkheden van de nieuwe methode zijn.