Tweedimensionale (2-D) materialen, die bestaan ​​uit een enkele laag atomen, hebben veel aandacht getrokken sinds de isolatie van grafeen in 2004. Ze hebben unieke elektrische, optisch, en mechanische eigenschappen, zoals hoge geleidbaarheid, flexibiliteit en kracht, waardoor ze veelbelovende materialen zijn voor onder meer lasers, fotovoltaïsche, sensoren en medische toepassingen.

Wanneer een vel 2D-materiaal over een ander wordt geplaatst en lichtjes wordt gedraaid, de twist kan de eigenschappen van het dubbellaagse materiaal radicaal veranderen en leiden tot exotisch fysiek gedrag, zoals supergeleiding bij hoge temperatuur -uitgang voor elektrotechniek; niet-lineaire optica:opwindend voor lasers en datatransmissie; en structurele supersmering - een nieuw ontdekte mechanische eigenschap die onderzoekers pas beginnen te begrijpen. De studie van deze eigenschappen heeft geleid tot een nieuw onderzoeksgebied genaamd twistronics, zo genoemd omdat het een combinatie is van twist en elektronica.

De onderzoekers van Aalto University, die samenwerken met internationale collega's, hebben nu een nieuwe methode ontwikkeld om deze gedraaide lagen te maken op schalen die groot genoeg zijn om bruikbaar te zijn. Voor de eerste keer. Hun nieuwe methode voor het overbrengen van enkelvoudige lagen molybdeendisulfide (MoS2) stelt onderzoekers in staat om de draaihoek tussen lagen met een oppervlakte tot een vierkante centimeter nauwkeurig te regelen, waardoor het recordbrekend is in termen van grootte. Het op grote schaal beheersen van de twisthoek tussen de lagen is cruciaal voor de toekomstige praktische toepassingen van twistronics.

"Onze gedemonstreerde twist-methode stelt ons in staat om de eigenschappen van gestapelde meerlaagse MoS2-structuren op grotere schaal dan ooit tevoren af ​​te stemmen. De overdrachtsmethode kan ook worden toegepast op andere tweedimensionale gelaagde materialen, " zegt Dr. Luojun Du van Aalto University, een van de hoofdauteurs van het werk.

Een belangrijke vooruitgang voor een gloednieuw onderzoeksgebied

Aangezien twistronics-onderzoek pas in 2018 werd geïntroduceerd, fundamenteel onderzoek is nog steeds nodig om de eigenschappen van gedraaide materialen beter te begrijpen voordat ze hun weg vinden naar praktische toepassingen. De Wolf-prijs in de natuurkunde, een van de meest prestigieuze wetenschappelijke prijzen, werd toegekend aan prof. Rafi Bistritzer, Pablo Jarillo-Herrero, en Allan H. MacDonald dit jaar voor hun baanbrekende werk op twistronics, wat het spelveranderende potentieel van het opkomende veld aangeeft.

Eerder onderzoek heeft aangetoond dat het mogelijk is om op kleine schaal de vereiste draaihoek te fabriceren door middel van een overdrachtsmethode of atoomkrachtmicroscooppuntmanipulatietechnieken. De steekproefomvang was meestal in de orde van tien micron, kleiner dan de grootte van een mensenhaar. Er zijn ook grotere paarlaagse films gemaakt, maar hun draaihoek tussen de lagen is willekeurig. Nu kunnen de onderzoekers grote films kweken met behulp van een epitaxiale groeimethode en een waterassistent-overdrachtsmethode.

"Omdat er geen polymeer nodig is tijdens het overdrachtsproces, de interfaces van onze steekproef zijn relatief schoon. Met de controle van de draaihoek en ultraschone interfaces, we kunnen de fysieke eigenschappen afstemmen, inclusief laagfrequente tussenlaagmodi, bandstructuur, en optische en elektrische eigenschappen, ' zegt Du.

"Inderdaad, het werk is van groot belang bij het begeleiden van toekomstige toepassingen van twistronics op basis van 2D-materialen, ", voegt professor Zhipei Sun van de universiteit van Aalto toe.

De resultaten zijn gepubliceerd in Natuurcommunicatie .