Een recente studie van de laboratoria van James Hone (werktuigbouwkunde) en Cory Dean (natuurkunde) demonstreert een nieuwe manier om de eigenschappen van tweedimensionale (2-D) materialen af ​​te stemmen door simpelweg de draaihoek ertussen aan te passen. De onderzoekers bouwden apparaten bestaande uit monolaag grafeen ingekapseld tussen twee kristallen van boornitride en, door de relatieve draaihoek tussen de lagen aan te passen, ze waren in staat om meerdere moiré-patronen te creëren.

Moiré-patronen zijn van groot belang voor fysici van gecondenseerde materie en materiaalwetenschappers die ze gebruiken om nieuwe elektronische materiaaleigenschappen te veranderen of te genereren. Deze patronen kunnen worden gevormd door boornitride (BN, een isolator) en grafeen (een halfmetaal) kristallen. Wanneer deze honingraatroosters van atomen bijna uitgelijnd zijn, ze creëren een moiré superrooster, een interferentiepatroon op nanoschaal dat er ook uitziet als een honingraat. Dit moiré-superrooster verandert de kwantummechanische omgeving van de geleidende elektronen in het grafeen, en kan daarom worden gebruikt om significante veranderingen in de waargenomen elektronische eigenschappen van het grafeen te programmeren.

Daten, de meeste onderzoeken naar de effecten van moiré-superroosters in grafeen-BN-systemen hebben gekeken naar een enkele interface (met ofwel de boven- of onderkant van het grafeen beschouwd, maar niet beide). Echter, een onderzoek dat vorig jaar door Hone en Dean werd gepubliceerd, toonde aan dat totale rotatiecontrole over een van de twee interfaces mogelijk was binnen een enkel apparaat.

Door een apparaat te ontwerpen met een permanente uitlijning op één interface, en afstembare uitlijning aan de andere, het Columbia-team heeft nu de effecten van meerdere moiré-superroosterpotentialen op een laag grafeen kunnen bestuderen.

"We besloten om zowel naar de boven- als onderkant van het grafeen te kijken in een enkel nanomechanisch apparaat, " zei Nathan Finney, een doctoraat student in Hone's lab en co-hoofdauteur van het artikel, online gepubliceerd op 30 september door Natuur Nanotechnologie en nu het omslagverhaal van de gedrukte editie van november. "We hadden het idee dat we daarmee we zouden in staat zijn om de sterkte van het moiré-superrooster mogelijk te verdubbelen met behulp van de naast elkaar bestaande moiré-superroosters van de boven- en onderinterfaces."

Het team ontdekte dat het draaien van de hoek van de lagen hen in staat stelde om zowel de sterkte van het moiré-superrooster als de algehele symmetrie ervan te beheersen, afgeleid uit de significante veranderingen in de elektronische eigenschappen van het waargenomen grafeen.

Bij hoeken die dicht bij de uitlijning liggen, er ontstond een sterk veranderde grafeenbandstructuur, waarneembaar in de vorming van naast elkaar bestaande niet-overlappende moiré-patronen met lange golflengte. Bij perfecte uitlijning, de elektronische hiaten van het grafeen werden ofwel sterk versterkt of onderdrukt, afhankelijk van of de bovenste draaibare BN 0 of 60 graden was gedraaid. Deze veranderingen in de elektronische openingen kwamen overeen met de verwachte veranderingen in symmetrie voor de twee uitlijningsconfiguraties - inversiesymmetrie gebroken bij 0 graden, en inversiesymmetrie hersteld op 60 graden.

"Dit is de eerste keer dat iemand de volledige rotatie-afhankelijkheid van naast elkaar bestaande moiré-superroosters in één apparaat heeft gezien, Finney merkt op. "Deze mate van controle over de symmetrie en de sterkte van moiré-superroosters kan universeel worden toegepast op de volledige inventaris van 2D-materialen die we beschikbaar hebben. Deze technologie maakt de ontwikkeling mogelijk van nano-elektromechanische sensoren met toepassingen in de astronomie, medicijn, zoek en Red, en meer."

De onderzoekers verfijnen nu het vermogen om monolagen van een breed scala aan 2D-materialen te verdraaien om exotische effecten te bestuderen zoals supergeleiding, topologisch geïnduceerd ferromagnetisme, en niet-lineaire optische respons in systemen die inversiesymmetrie missen.