2D-materialen hebben geleid tot een hausse in materiaalonderzoek. Nu blijkt dat spannende effecten optreden wanneer twee van dergelijke gelaagde materialen worden gestapeld en lichtjes gedraaid.

De ontdekking van het materiaal grafeen, die uit slechts één laag koolstofatomen bestaat, was het startschot voor een wereldwijde race:vandaag zogenaamde 2D-materialen worden geproduceerd, gemaakt van verschillende soorten atomen. Atomair dunne lagen die vaak zeer speciale materiaaleigenschappen hebben die niet gevonden worden in conventionele, dikkere materialen.

Nu wordt aan dit onderzoeksgebied een nieuw hoofdstuk toegevoegd:Als twee van dergelijke 2D-lagen in de juiste hoek worden gestapeld, er ontstaan ​​nog meer nieuwe mogelijkheden. De manier waarop de atomen van de twee lagen op elkaar inwerken, creëert ingewikkelde geometrische patronen, en deze patronen hebben een beslissende invloed op de materiaaleigenschappen, zoals een onderzoeksteam van de TU Wien en de University of Texas (Austin) nu heeft kunnen aantonen. Fononen - de roostertrillingen van de atomen - worden aanzienlijk beïnvloed door de hoek waaronder de twee materiaallagen op elkaar worden geplaatst. Dus, met kleine rotaties van zo'n laag, men kan de materiaaleigenschappen aanzienlijk veranderen.

Het Moiré-effect

Het basisidee kan thuis worden uitgeprobeerd met twee vliegenhorren - of met andere gewone mazen die op elkaar kunnen worden geplaatst:als beide roosters perfect congruent op elkaar zijn, je kunt van bovenaf nauwelijks zien of het een of twee roosters zijn. De regelmaat van de structuur is niet veranderd.

Maar als je nu een van de roosters een klein hoekje draait, er zijn plaatsen waar de rasterpunten van de mazen ongeveer overeenkomen, en andere plaatsen waar dat niet het geval is. Op deze manier, er ontstaan ​​interessante patronen - dat is het bekende moiré-effect.

"Je kunt precies hetzelfde doen met de atoomroosters van twee materiaallagen, ", zegt Dr. Lukas Linhart van het Instituut voor Theoretische Fysica aan de TU Wien. Het opmerkelijke is dat dit bepaalde materiaaleigenschappen drastisch kan veranderen, bijvoorbeeld grafeen wordt een supergeleider als twee lagen van dit materiaal op de juiste manier worden gecombineerd.

"We hebben lagen molybdeendisulfide bestudeerd, die, samen met grafeen, is waarschijnlijk een van de belangrijkste 2D-materialen, " zegt prof. Florian Libisch, die het project leidde aan de TU Wien. "Als je twee lagen van dit materiaal op elkaar legt, Tussen de atomen van deze twee lagen treden zogenaamde Van der Waals-krachten op. Dit zijn relatief zwakke krachten, maar ze zijn sterk genoeg om het gedrag van het hele systeem volledig te veranderen."

In uitgebreide computersimulaties, het onderzoeksteam analyseerde de kwantummechanische toestand van de nieuwe dubbellaagse structuur veroorzaakt door deze zwakke extra krachten, en hoe dit de trillingen van de atomen in de twee lagen beïnvloedt.

De draaihoek is belangrijk

"Als je de twee lagen een beetje tegen elkaar draait, de Van der Waals-krachten zorgen ervoor dat de atomen van beide lagen een klein beetje van positie veranderen, " zegt dr. Jiamin Quan, van UT Texas in Austin. Hij leidde de experimenten in Texas, die de resultaten van de berekeningen bevestigden:Met de rotatiehoek kan worden ingesteld welke atomaire trillingen fysiek mogelijk zijn in het materiaal.

"In termen van materiaalkunde, het is belangrijk om op deze manier controle te hebben over fonontrillingen, ", zegt Lukas Linhart "Het feit dat elektronische eigenschappen van een 2D-materiaal kunnen worden veranderd door twee lagen aan elkaar te verbinden, was al eerder bekend. Maar het feit dat ook de mechanische trillingen in het materiaal hierdoor kunnen worden gecontroleerd, opent nu nieuwe mogelijkheden voor ons. Fononen en elektromagnetische eigenschappen zijn nauw verwant. Via de trillingen in het materiaal, men kan dus op een controlerende manier ingrijpen in belangrijke veellichameneffecten." Na deze eerste beschrijving van het effect voor fononen, de onderzoekers proberen nu fononen en elektronen gecombineerd te beschrijven, in de hoop meer te weten te komen over belangrijke fenomenen zoals supergeleiding.

Het materiaal-fysische Moiré-effect maakt het toch al rijke onderzoeksveld van 2D-materialen dus nog rijker - en vergroot de kans om nieuwe gelaagde materialen te blijven vinden met voorheen onbereikbare eigenschappen en maakt het gebruik van 2D-materialen mogelijk als een experimenteel platform voor vrij fundamentele eigenschappen van vaste stoffen.