Recente ontwikkelingen in de ontwikkeling van apparaten gemaakt van 2D-materialen maken de weg vrij voor nieuwe technologische mogelijkheden, vooral op het gebied van de kwantumtechnologie. Tot nu toe is er echter weinig onderzoek gedaan naar energieverliezen in sterk op elkaar inwerkende systemen.

Met dit in gedachten gebruikte het team onder leiding van professor Ernst Meyer van de afdeling natuurkunde van de Universiteit van Basel een atoomkrachtmicroscoop in slingermodus om een ​​grafeenapparaat gedetailleerder te onderzoeken. Hiervoor gebruikten de onderzoekers een tweelaags grafeen, vervaardigd door collega's van LMU München, waarbij de twee lagen 1,08° gedraaid waren.

Wanneer ze ten opzichte van elkaar worden gestapeld en gedraaid, produceren de twee lagen grafeen 'moiré'-superstructuren en krijgt het materiaal nieuwe eigenschappen. Wanneer de twee lagen bijvoorbeeld worden verdraaid onder de zogenaamde magische hoek van 1,08°, wordt grafeen bij zeer lage temperaturen een supergeleider, die elektriciteit geleidt zonder vrijwel geen energiedissipatie.

De eigenschappen verfijnen

Met behulp van atomaire krachtmicroscopie (AFM) metingen heeft Dr. Alexina Ollier nu kunnen bewijzen dat de draaihoek van de atomaire grafeenlagen uniform was over de gehele laag, namelijk ongeveer 1,06°. Ze kon ook meten hoe de stroomgeleidende eigenschappen van de grafeenlaag kunnen worden veranderd en aangepast als functie van de lading die op het apparaat wordt aangebracht.

Afhankelijk van de "oplading" van de individuele grafeencellen met elektronen, gedroeg het materiaal zich als isolator of als halfgeleider. De relatief hoge temperatuur van 5 Kelvin (-268,15°C) tijdens de metingen zorgde ervoor dat de onderzoekers geen supergeleiding in het grafeen bereikten, omdat dit fenomeen – stroomgeleiding zonder energiedissipatie – pas optreedt bij een veel lagere temperatuur van 1,7 Kelvin.

"We konden echter niet alleen de stroomgeleidende eigenschappen van het apparaat aanpassen en meten", legt Ollier uit, eerste auteur van het onderzoek dat nu is gepubliceerd in Communications Physics , "maar ook om magnetische eigenschappen aan grafeen te geven, dat uiteraard uit niets anders bestaat dan koolstofatomen."

"Het is een prestatie dat we kleine grafeenvlokken in elektrische componenten in beeld kunnen brengen, hun elektrische en magnetische eigenschappen kunnen veranderen en ze nauwkeurig kunnen meten", zegt Meyer over het werk, dat deel uitmaakte van een proefschrift aan de SNI Ph. D. School. "In de toekomst zal deze methode ons ook helpen om het energieverlies van verschillende tweedimensionale componenten te bepalen bij sterke interacties."

Meer informatie: Alexina Ollier et al, Energiedissipatie op magische hoek gedraaid dubbellaags grafeen, Communicatiefysica (2023). DOI:10.1038/s42005-023-01441-4

Journaalinformatie: Communicatiefysica

Aangeboden door Universiteit van Bazel