Onderzoekers van de Universiteit Antwerpen rapporteren hoe periodieke modulaties van hogere orde, supermoiré genaamd, veroorzaakt door de inkapseling van grafeen tussen hexagonaal boornitride, de elektronische en structurele eigenschappen van grafeen beïnvloeden, zoals blijkt uit drie recente onafhankelijke experimenten.

Hoogwaardige grafeenmonsters zijn van groot belang voor het verkrijgen en exploiteren van de theoretisch beschreven eigenschappen ervan. Het gebruik van een geschikt substraat vermindert de golving en verbetert anders de ongeordende eigenschappen van grafeen. Zeshoekig boornitride (hBN) is een bijzonder goede keuze, omdat het de grafeenstructuur perfect behoudt en tegelijkertijd een vlak isolerend oppervlak biedt.

Nog altijd, dit is alleen van toepassing als de twee monolagen niet goed zijn uitgelijnd. Anders, de van der Waals-interactie induceert structurele ontspanning op de schaal van het moiré-patroon gevormd tussen de twee lagen en wijzigt de elektronische eigenschappen als gevolg van de periodieke moiré-storing. Soortgelijke argumenten zijn van toepassing als grafeen is ingekapseld en nauw is uitgelijnd met twee hBN-lagen. In dit geval, het effect wordt versterkt omdat van beide lagen wordt verwacht dat ze bijdragen. Verder, nauwe uitlijning in de orde van 0,5 graden tussen de lagen is verantwoordelijk voor het verschijnen van een nieuwe vorm van periodieke supermoiré-modulatie, die grafeen verandert op een grotere ruimtelijke schaal maar op een kleinere energieschaal. Recente experimentele waarnemingen van dergelijke effecten zijn een gevolg van significante verbeteringen in experimentele manipulatietechnieken, en onder andere de mogelijkheid om afzonderlijke lagen met hoge precisie te roteren (Wang et al. 2019a; Wang et al. 2019b; Finney et al. 2019).

In hun paper gepubliceerd op 21 januari in Nano-letters , Anđelković et al. onthullen onder welke conditie het supermoiré-effect optreedt, en hoe het de structurele en elektronische eigenschappen van grafeen verandert. Ze laten zien, uitgaande van een starre hBN/grafeen/hBN heterostructuur, hoe de supermoiré verschijnt als een eenvoudige geometrische overweging. Verder, ze bewijzen dat relaxatie-effecten in de drie lagen naar verwachting de effecten op de elektronische bandstructuur zullen versterken. De door supermoiré veroorzaakte wijzigingen zijn significant:nieuw, weinig energie, platte subbanden en Dirac-punten verschijnen, met een sterk effect op elektronische transporteigenschappen. In de meeste configuraties, de Dirac-punten zijn onderbroken, terwijl van platte banden wordt verwacht dat ze de elektron-elektroncorrelaties verbeteren. "Deze nieuwe draaiende vrijheidsgraden in heterostructuren openen nieuwe fundamentele onderzoeksrichtingen in grafeen, waar sterke elektronische correlaties naar verwachting de reeds overtreffende trap eigenschappen van grafeen zullen aanvullen, ' zei dr. Lucian Covaci.

"De reeks multi-schaal numerieke simulaties ontwikkeld door het team van de Universiteit Antwerpen zorgt voor meer realistische modellen, wat op zijn beurt een meer directe vergelijking met experimentele waarnemingen mogelijk maakt, '' zei Dr. Miša Anđelković, een mede-ontwikkelaar van Pybinding, de hechte open source software die de simulaties mogelijk maakte.

Met een nieuw licht dat werpt op het begrip van meer complex en interfererend gedrag van van der Waals-heterostructuren, is het mogelijk om de elektronische eigenschappen van grafeen te verfijnen en regimes te bereiken waar door verdraaiing geïnduceerde verschijnselen, zoals platte banden of het verschijnen van mini-gaten, zich duidelijker openbaren.