Een groep internationale onderzoekers van de Universiteit van Manchester heeft een nieuwe methode onthuld die de hoek - "twist" - tussen atoomdunne lagen die exotische door de mens gemaakte nanodevices genaamd van der Waals-heterostructuren vormen, kan verfijnen en de volgende generatie elektronica kan helpen versnellen .

De nieuwe techniek kan in situ dynamische rotatie en manipulatie bereiken van 2D-materialen die op elkaar zijn gelaagd om van der Waals-heterostructuren te vormen - apparaten op nanoschaal met ongebruikelijke eigenschappen en opwindende nieuwe fenomenen, legde teamleider professor Mishchenko uit.

Afstemming van de draaihoek regelt de topologie en elektroneninteracties in 2D-materialen - en zo'n proces, aangeduid als 'twistronics', is de laatste jaren een opkomend onderzoeksonderwerp in de natuurkunde. De nieuwe door Manchester geleide studie zal worden gepubliceerd in: wetenschappelijke vooruitgang vandaag.

"Onze techniek maakt gedraaide van der Waals heterostructuren mogelijk met dynamisch afstembare optische, mechanisch, en elektronische eigenschappen." legt Yaping Yang uit, de hoofdauteur van dit werk.

Yaping Yang voegde toe:"Deze techniek, bijvoorbeeld, kan worden gebruikt in autonome robotmanipulatie van tweedimensionale kristallen om van der Waals-superroosters te bouwen, die nauwkeurige positionering mogelijk zou maken, rotatie, en manipulatie van 2D-materialen om materialen met gewenste draaihoeken te fabriceren, om elektronische en kwantumeigenschappen van van der Waals-materialen te verfijnen."

Het draaien van lagen van 2-D kristallen ten opzichte van elkaar resulteert in de vorming van een moirépatroon, waar roosters van de ouder 2-D kristallen een superrooster vormen. Dit superrooster kan het gedrag van elektronen in het systeem volledig veranderen, leidend tot observatie van vele nieuwe fenomenen, inclusief sterke elektronencorrelaties, fractaal kwantum Hall-effect, en supergeleiding.

Het team demonstreerde deze techniek door met succes heterostructuren te fabriceren waarbij grafeen perfect is uitgelijnd met zowel de bovenste als de onderste omhullende lagen van hexagonaal boornitride - ook wel "wit grafeen" genoemd - waardoor dubbele moiré-superroosters op de twee interfaces worden gecreëerd.

Zoals gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , de techniek wordt gemedieerd door een polymeer resist patch op target 2-D kristallen en een polymeer gel manipulator, die de rotatie en positionering van 2D-materialen nauwkeurig en dynamisch kan regelen.

"Onze techniek heeft het potentieel om twistronics in cryogene meetsystemen te brengen, bijvoorbeeld, door micromanipulatoren of micro-elektromechanische apparaten te gebruiken", voegde Artem Mishchenko eraan toe.

De onderzoekers gebruikten een glasplaatje met een druppel polydimethylsiloxaan (PDMS) als manipulator, die is uitgehard en op natuurlijke wijze is gevormd tot een halfrondgeometrie. Ondertussen, ze hebben opzettelijk een epitaxiale polymethylmethacrylaat (PMMA) -pleister op een doelwit 2-D-kristal afgezet door middel van een standaard elektronenstraallithografie.

De stappen om doelvlokken in een heterostructuur te manipuleren zijn eenvoudig te volgen. Door het handvat van de polymeergel te laten zakken, PDMS-halfrond wordt in contact gebracht met de PMMA-patch. Als ze elkaar aanraken, men kan de beoogde 2-D-kristallen op het oppervlak van de onderste vlok gemakkelijk verplaatsen of roteren. Zo'n soepele beweging van de 2D-vlokken is gebaseerd op de supersmering tussen de twee kristallijne structuren.

Superlubricity is een fenomeen waarbij de wrijving tussen atomair vlakke oppervlakken onder bepaalde omstandigheden verdwijnt.

De manipulatietechniek maakt een continue afstemming van de draaihoek tussen de lagen mogelijk, zelfs na de heterostructuurassemblage. Men kan de epitaxiale PMMA-patch op aanvraag in een willekeurige vorm ontwerpen, normaal gesproken de geometrie nemen die bij de doelvlok past. De manipulatietechniek is handig en reproduceerbaar omdat de PMMA-pleister gemakkelijk kan worden weggewassen door aceton en opnieuw van een patroon kan worden voorzien door lithografie.

Normaal gesproken, voor een zorgvuldig gefabriceerd PDMS-halfrond, het contactoppervlak tussen de halve bol en een 2-D kristal hangt af van de straal van de halve bol en is zeer gevoelig voor de contactkracht, waardoor het moeilijk is om de beweging van het beoogde 2-D-kristal nauwkeurig te regelen.

"De epitaxiale PMMA-patch speelt een cruciale rol in de manipulatietechniek. Onze truc is dat het contactoppervlak van de polymeergelmanipulator precies beperkt is tot de patroonvorm van de epitaxiale polymeerlaag. Dit is de sleutel om nauwkeurige controle van de manipulatie, waardoor een veel grotere controlerende kracht kan worden toegepast." zei Jidong Li, een van de co-auteurs.

In vergelijking met andere manipulatietechnieken van 2D-materialen, zoals het gebruik van atomic force microscope (AFM) tips om een ​​kristal met een specifiek gefabriceerde geometrie te duwen, de in situ twistronics-techniek is niet-destructief en kan vlokken manipuleren, ongeacht hun dikte, terwijl een AFM-tip alleen beter werkt voor dikke vlokken en dunne kan vernietigen.

Perfecte uitlijning van grafeen en hexagonaal boornitride demonstreert het potentieel van de techniek in twistronics-toepassingen.

Met behulp van de in-situ techniek, de onderzoekers hebben met succes 2D-lagen geroteerd in een boornitride/grafeen/boornitride heterostructuur om een ​​perfecte uitlijning tussen alle lagen te realiseren. De resultaten demonstreren de vorming van dubbele moiré-superroosters op de twee grensvlakken van de heterostructuur. In aanvulling, de onderzoekers observeerden de signatuur van de tweede-orde (samengestelde) moireacute; patroon gegenereerd door de dubbele moireacute; superroosters.

Deze heterostructuur met perfect uitgelijnde grafeen en boornitride demonstreert het potentieel van de manipulatietechniek in twistronics.

"De techniek kan gemakkelijk worden gegeneraliseerd naar andere 2D-materiaalsystemen en maakt omkeerbare manipulatie in elk 2D-systeem mogelijk, weg van het evenredige regime", zei Yaping Yang, die het experimentele werk heeft uitgevoerd.

Professor Mishchenko voegde toe:"We geloven dat onze techniek een nieuwe strategie in apparaattechniek zal openen en zijn toepassingen zal vinden in onderzoek naar 2-D quasi-kristallen, magische hoek platte banden, en andere topologisch niet-triviale systemen."