Materiaalwetenschappers kunnen de draaihoek van materialen tussen de lagen regelen om een ​​krachtige methode te bieden om de elektronische eigenschappen van tweedimensionale (2-D) van der Waals-materialen af ​​te stemmen. Bij dergelijke materialen de elektrische geleidbaarheid zal monotoon (constant) toenemen met de afnemende draaihoek als gevolg van verbeterde koppeling tussen aangrenzende lagen. In een nieuw rapport Shuai Zhang en een team van wetenschappers in functionele materialen, Engineering, nanosystemen en tribologie, in China, beschreef een opstelling voor niet-monotone hoekafhankelijke verticale geleidbaarheid over het grensvlak van dubbellaags grafeen met lage draaihoeken. De verticale geleidbaarheid verbeterde geleidelijk met de afnemende draaihoek, echter, na verdere afname van de draaihoek, de geleidbaarheid van het materiaal nam met name af. De wetenschappers onthulden het abnormale gedrag met behulp van dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT) -berekeningen en scanning tunneling microscopie (STM) en schreven de uitkomst toe aan de ongebruikelijke vermindering van de gemiddelde dragerdichtheid afkomstig van lokale atomaire reconstructies. Atomaire reconstructie kan optreden vanwege het samenspel tussen de van der Waals-interactie-energie en de elastische energie aan het grensvlak, leidt tot intrigerende structuren. De impact van atomaire reconstructie was significant op de verticale geleidbaarheid voor lage-hoek, gedraaide 2D van der Waals materialen; het verstrekken van een nieuwe strategie om hun elektronische prestaties te ontwerpen en te optimaliseren.

De elektronische eigenschappen van 2D-materialen afstemmen

Materiaalwetenschappers hebben methoden gedemonstreerd om de draaihoek van de tussenlaag te variëren om een ​​effectieve strategie te bieden om de elektronische eigenschappen van van der Waals-structuren af ​​te stemmen. Recente experimenten hebben aangetoond hoe de geleidbaarheid tussen de lagen van 2-D van der Waals-structuren zoals grafeen/grafeen- of grafeen/grafiet-overgangen monotoon afnam met een toenemende draaihoek. Onderzoekers kunnen een dergelijke monotone hoekafhankelijke geleidbaarheid tussen de lagen verklaren met behulp van een fonon-gemedieerd tussenlaagtransportmechanisme. Afgezien van de geleidbaarheid tussen de lagen, de verticale geleidbaarheid kan worden onderzocht met behulp van conductance atomic force microscopie (c-AFM), waar de resultaten vergelijkbare trends lieten zien voor diverse 2D-materialen met een groot draaisysteem. Recente onderzoeken naar gedraaid dubbellaags grafeen met een lage hoek (TBG) hadden de effecten aangetoond van competitieve van der Waals-interacties en elasticiteit in het vlak die de lokale reconstructie van grafeen op atomaire schaal beïnvloeden, om onconventionele elektronische eigenschappen te onthullen, zoals supergeleiding, gecorreleerde isolatoren en spontaan ferromagnetisme. Het is daarom wetenschappelijk intrigerend om de verticale geleidbaarheid van gedraaid dubbellaags grafeen (TBG) te onderzoeken en te begrijpen hoe het evolueert met de draaihoek.

Tijdens de experimenten, Zhang et al. gebruikte een dikke hexagonale boornitride (h-BN) vlok als substraat en groeide dubbellaags grafeen met behulp van chemische dampafzetting. In deze monsters de onderste laag grafeen vormde een continue polykristallijne film, terwijl de toplaag van grafeen een eenkristal grafeeneiland bleef. Dankzij deze unieke monsterstructuur konden ze een groot aantal gedraaide dubbellaagse grafeendomeinen met een breed scala aan draaihoeken onderzoeken. Tijdens geleidende AFM-metingen, het team paste een constante voorspanning toe tussen de geleidende sonde en de film om de stroom in de opstelling continu te controleren. Met de afnemende draaihoek, de wetenschappers merkten een daling op in de verticale geleidbaarheid van gedraaid dubbellaags grafeen, een duidelijk ander kenmerk dan de monotone hoekafhankelijke geleidbaarheid die in eerdere onderzoeken werd waargenomen.

Onderzoek naar de abnormale afhankelijkheid van de draaihoek in gedraaid dubbellaags grafeen (TBG)

Om deze ongewone functie te verkennen, Zhang et al. metingen uitgevoerd op meer TBG-monsters. Toen de draaihoek afnam van 120 graden naar vijf graden, de geleidbaarheid van TBG nam geleidelijk toe, consistent met eerdere berichten. Toen de draaihoek onder de vijf graden daalde, echter, het team merkte de ongebruikelijke vermindering van de geleidbaarheid op. Om de invloed van het hexagonale boornitridesubstraat uit te sluiten, ze brachten het monolaag grafeen over naar het oppervlak van grafiet met een controleerbare lage draaihoek, en de verticale geleidbaarheid gemeten met behulp van c-AFM (geleidende atoomkrachtmicroscopie), om een ​​soortgelijk ongewoon resultaat waar te nemen. Het team voerde vervolgens geleidbaarheidsmetingen uit met een fijnere resolutie om de oorsprong van de abnormale afname van de geleidbaarheid te onderzoeken. wanneer de draaihoeken minder dan vijf graden waren.

Om de complexiteit te begrijpen, ze karakteriseerden de moiré- en sub-moiré-schaalstructuren met een hogere resolutie met behulp van STM-experimenten (scanning tunneling microscopie) op gedraaide dubbellaagse grafeenmonsters met lage draaihoeken (variërend van 0,6 graden, 1,1 graden tot 3,3 graden). De moiré-superroosters zijn structuren die zijn gemaakt van 2D-lagen die zijn gestapeld met een twisthoek en/of een niet-overeenkomend rooster. Volgens de STM-metingen, de lokale dichtheid van toestanden op het oppervlak van gedraaid dubbellaags grafeen nam af toen de draaihoek afnam van 3,3 graden naar 0,6 graden. Het dubbelgelaagde grafeen is een halfmetaal dat de zogenaamde "AB-gestapelde structuur" of de zeldzame "AA-gestapelde structuur" kan aannemen - waarvan wordt voorspeld dat ze erg van elkaar verschillen. Op dit moment, het gebied met lage en hoge geleidbaarheid in gedraaid dubbellaags grafeen kwam ongeveer overeen met de AB-/BA- en AA-gestapelde gebieden, respectievelijk.

theoretische berekeningen

Zhang et al. voerde ook theoretische berekeningen uit om te begrijpen hoe de moiré-superroosterstructuur en lokale reconstructie leidden tot abnormale verticale geleidbaarheid. In alle gevallen, de AA-gestapelde regio's vertoonden een betere geleidbaarheid in vergelijking met de AB-gestapelde regio's. Het team kwantificeerde de variatie van geleidbaarheid met de draaihoeken, via simulaties, om de experimentele waarnemingen te reproduceren. De wetenschappers bestudeerden ook de geleidbaarheid tussen grafeen en grafeen om de oorsprong van crossover-gedrag te begrijpen. Met behulp van DFT (density functional theory) berekeningen, ze vonden de aanwezigheid van AA-gestapelde regio's om de lokale dragerdichtheid te verbeteren, dit fenomeen ontstond als gevolg van hogere lokale carrier-accommodatie in het AA-gestapelde gebied in de moiré-superroosterstructuur.

Outlook

Op deze manier, de verticale transporteigenschap van het gedraaide dubbelgelaagde grafeen (TBG) kan worden bepaald door twee factoren:inclusief de dichtheid van de oppervlaktedrager en de tunnelbarrière tussen de lagen. De hoge dragerdichtheid en de lage tunnelbarrière waren beide essentieel voor een hoge geleidbaarheid. Shuai Zhang en collega's gebruikten TBG als voorbeeld en ontdekten dat de verticale geleidbaarheid van van der Waals-heterostructuren een niet-monotone afhankelijkheid van de draaihoek vertoonde. Toen de draaihoek een drempel van minder dan 5 graden bereikte, de verticale geleidbaarheid nam abnormaal af als gevolg van een opmerkelijke daling van de dragerdichtheid. De bevindingen benadrukten de invloed van atomaire reconstructie op verticale geleidbaarheid in 2D-interfaces. Het werk biedt handvatten om de elektrische prestaties van gedraaid dubbellaags grafeen en andere 2-D van der Waals-structuren op het gebied van opto-elektronica te optimaliseren.

© 2020 Wetenschap X Netwerk