Wetenschappers van de Universiteit van Bath hebben een belangrijke stap gezet in het begrijpen van de interactie tussen lagen van atomair dunne materialen die in stapels zijn gerangschikt. Ze hopen dat hun onderzoek de ontdekking van nieuwe, kunstmatige materialen, leidend tot het ontwerp van elektronische componenten die veel kleiner en efficiënter zijn dan alles wat tegenwoordig bekend is.

Kleiner is altijd beter in de wereld van elektronische circuits, maar er is een limiet aan hoe ver je een siliciumonderdeel kunt laten krimpen zonder dat het oververhit raakt en uit elkaar valt, en we zijn er bijna. De onderzoekers onderzoeken een groep atomair dunne materialen die tot stapels kunnen worden samengevoegd. De eigenschappen van elk eindmateriaal zijn zowel afhankelijk van de keuze van de grondstoffen als van de hoek waaronder de ene laag op de andere wordt aangebracht.

Dr. Marcin Mucha-Kruczynski die het onderzoek leidde van de afdeling Natuurkunde, zei:"We hebben een manier gevonden om te bepalen hoe sterk atomen in verschillende lagen van een stapel aan elkaar zijn gekoppeld, en we hebben de toepassing van ons idee op een structuur gemaakt van grafeenlagen gedemonstreerd."

Het badonderzoek, gepubliceerd in Natuurcommunicatie , is gebaseerd op eerder werk aan grafeen - een kristal dat wordt gekenmerkt door dunne vellen koolstofatomen die zijn gerangschikt in een honingraatontwerp. in 2018, wetenschappers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) ontdekten dat wanneer twee lagen grafeen worden gestapeld en vervolgens ten opzichte van elkaar worden gedraaid door de 'magische' hoek van 1,1 °, ze produceren een materiaal met supergeleidende eigenschappen. Dit was de eerste keer dat wetenschappers een supergeleidend materiaal hadden gemaakt dat puur van koolstof was gemaakt. Echter, deze eigenschappen verdwenen met de kleinste verandering van hoek tussen de twee lagen grafeen.

Sinds de ontdekking van het MIT, wetenschappers over de hele wereld hebben geprobeerd dit fenomeen van 'stapelen en draaien' toe te passen op andere ultradunne materialen, het samenvoegen van twee of meer atomair verschillende structuren in de hoop geheel nieuwe materialen met bijzondere eigenschappen te vormen.

"In de natuur, je kunt geen materialen vinden waar elke atoomlaag anders is, " zei Dr. Mucha-Kruczynski. "Bovendien, twee materialen kunnen normaal gesproken maar op één specifieke manier worden samengevoegd, omdat er chemische bindingen tussen lagen moeten worden gevormd. Maar voor materialen als grafeen, alleen de chemische bindingen tussen atomen op hetzelfde vlak zijn sterk. De krachten tussen vlakken - bekend als van der Waals-interacties - zijn zwak, en hierdoor kunnen lagen materiaal ten opzichte van elkaar worden gedraaid."

De uitdaging voor wetenschappers is nu om het proces van het ontdekken van nieuwe, gelaagde materialen zo efficiënt mogelijk. Door een formule te vinden waarmee ze de uitkomst kunnen voorspellen wanneer twee of meer materialen worden gestapeld, zij kunnen hun onderzoek enorm stroomlijnen.

Het is op dit gebied dat Dr. Mucha-Kruczynski en zijn medewerkers aan de Universiteit van Oxford, De Universiteit van Peking en ELETTRA Synchrotron in Italië verwachten een verschil te kunnen maken.

"Het aantal combinaties van materialen en het aantal hoeken waaronder ze kunnen worden gedraaid, is te groot om in het lab uit te proberen, dus wat we kunnen voorspellen is belangrijk, " zei Dr. Mucha-Kruczynski.

De onderzoekers hebben aangetoond dat de interactie tussen twee lagen kan worden bepaald door een drielaagse structuur te bestuderen waarin twee lagen worden samengevoegd zoals je die in de natuur zou kunnen vinden, terwijl de derde gedraaid is. Ze gebruikten hoek-opgeloste foto-emissiespectroscopie - een proces waarbij krachtig licht elektronen uit het monster werpt, zodat de energie en het momentum van de elektronen kunnen worden gemeten. daarmee inzicht in eigenschappen van het materiaal - om te bepalen hoe sterk twee koolstofatomen op een bepaalde afstand van elkaar zijn gekoppeld. Ze hebben ook aangetoond dat hun resultaat kan worden gebruikt om eigenschappen te voorspellen van andere stapels gemaakt van dezelfde lagen, zelfs als de wendingen tussen de lagen verschillend zijn.

De lijst met bekende atomair dunne materialen zoals grafeen groeit voortdurend. Het bevat al tientallen inzendingen met een breed scala aan eigenschappen, van isolatie tot supergeleiding, transparantie voor optische activiteit, broosheid tot flexibiliteit. De nieuwste ontdekking biedt een methode om de interactie tussen lagen van elk van deze materialen experimenteel te bepalen. Dit is essentieel voor het voorspellen van de eigenschappen van meer gecompliceerde stapels en voor het efficiënt ontwerpen van nieuwe apparaten.

Dr. Mucha-Kruczynski gelooft dat het 10 jaar kan duren voordat nieuwe gestapelde en gedraaide materialen een praktische, dagelijkse toepassing. "Het duurde tien jaar voordat grafeen van het laboratorium naar iets nuttigs in de gebruikelijke zin ging, dus met een vleugje optimisme, Ik verwacht dat een vergelijkbare tijdlijn zal gelden voor nieuwe materialen, " hij zei.

Voortbouwend op de resultaten van zijn laatste onderzoek, Dr. Mucha-Kruczynski en zijn team richten zich nu op gedraaide stapels gemaakt van lagen overgangsmetaal dichalcogeniden (een grote groep materialen met twee zeer verschillende soorten atomen - een metaal en een chalcogeen, zoals zwavel). Sommige van deze stapels hebben fascinerend elektronisch gedrag vertoond dat de wetenschappers nog niet kunnen verklaren.

"Omdat we te maken hebben met twee radicaal verschillende materialen, het bestuderen van deze stapels is ingewikkeld, " verklaarde Dr. Mucha-Kruczynski. "Echter, we hopen dat we na verloop van tijd de eigenschappen van verschillende stapels kunnen voorspellen, en ontwerp nieuwe multifunctionele materialen."