Tvådimensionella (2D) material som grafen har unika elektroniska, magnetisk, optisk, och mekaniska egenskaper som lovar att driva innovation inom områden från elektronik till energi till material till medicin. Columbia University forskare rapporterar ett stort framsteg som kan revolutionera området, en "twistronic" anordning vars egenskaper kan varieras genom att helt enkelt variera vinkeln mellan två olika 2D-lager placerade ovanpå varandra.

I en tidning publicerad online idag i Vetenskap , Teamet demonstrerar en ny enhetsstruktur som inte bara ger dem oöverträffad kontroll över vinkelorienteringen i enheter med vridna lager, men låter dem också variera denna vinkel på plats, så att effekterna av vridvinkel på elektroniska, optisk, och mekaniska egenskaper kan studeras i en enda enhet.

Leds av Cory Dean (fysik, Columbia University) och James Hone (mekanik, Columbia Engineering), teamet byggde på tekniker som de tidigare var pionjärer för att mekaniskt lagra grafen och andra 2D-material, den ena på den andra, att bilda nya strukturer. "Denna mekaniska monteringsprocess tillåter oss att blanda och matcha olika kristaller för att konstruera helt nya material, ofta med egenskaper som är fundamentalt annorlunda än de ingående lagren, säger Hone, ledare för Columbia's Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC), som undersöker egenskaperna hos dessa heterostrukturer. "Med hundratals tillgängliga 2D-material, designmöjligheterna är enorma."

Nyligen genomförda studier har visat att rotationsinriktning mellan skikten spelar en avgörande roll för att bestämma de nya egenskaper som uppstår när material kombineras. Till exempel, när ledande grafen placeras ovanpå isolerande bornitrid med kristallgittren perfekt inriktade, grafen utvecklar ett bandgap. Vid vinklar som inte är noll, bandgapet försvinner och inneboende grafenegenskaper återvinns. Bara den senaste mars, forskare vid MIT rapporterade den banbrytande upptäckten att två staplade lager av grafen kan uppvisa exotiska egenskaper inklusive supraledning när vridningsvinkeln mellan dem är inställd på 1,1 grader, kallas den "magiska vinkeln".

I tidigare tillvägagångssätt för att tillverka strukturer med rotationsfelinriktade skikt, vinkeln ställdes in under monteringsprocessen. Detta innebar att när enheten väl tillverkades, dess egenskaper fastställdes. "Vi tyckte att det här tillvägagångssättet var frustrerande, eftersom mycket små fel i anpassningen kan ge helt andra resultat, " säger Dean. "Det skulle vara fantastiskt att göra en enhet där vi kan studera dess egenskaper samtidigt som vi kontinuerligt roterar dess lager och så var frågan, hur gor man det har?"

Svaret, Columbia-forskarna insåg, var att dra fördel av den låga friktionen som finns vid gränssnittet mellan lagren, som hålls samman av van der Waals krafter som är mycket svagare än atombindningarna inom varje lager. Denna låga friktion - som gör 2D-material mycket bra som fasta smörjmedel - gör det mycket svårt att kontrollera monteringen i en önskad vinkel. Columbia-gruppen använde lågfriktionsegenskapen till sin fördel genom att designa en enhetsstruktur där, istället för att förhindra rotation, de kunde avsiktligt och kontrollerbart variera rotationsvinkeln.

Teamet använde grafen/bornitrid-heterostrukturer för att demonstrera räckvidden för sin teknik. I dessa strukturer, när skikten inte är kristallografiskt inriktade, materialen bevarar sina ursprungliga egenskaper (t.ex. grafen kommer att ha en semimetallisk karaktär) men när lagren är inriktade, egenskaperna hos grafen förändras, öppnar ett energigap och beter sig som en halvledare. Forskarna visade att denna finjustering av heterostrukturens egenskaper påverkar dess optiska, mekanisk, och elektroniska svar.

"I synnerhet, vi visade att energigapet som observeras i grafen är inställbart och kan slås på eller av på begäran bara genom att ändra orienteringen mellan lagren, säger Rebeca Ribeiro, som ledde detta arbete som postdoktor vid Columbia och är nu CNRS-forskare vid det franska centret för nanovetenskap och nanoteknologi (C2N-CNRS). "Trimningen av detta energigap representerar inte bara ett stort steg mot framtida användning av grafen i olika tillämpningar, men ger också en allmän demonstration där enhetsegenskaperna för 2D-material varieras dramatiskt med rotation "

Ur en teknisk synvinkel, Möjligheten att justera egenskaperna hos ett skiktat material genom att variera vridningsvinkeln ger möjlighet för en enda materialplattform att utföra en mängd olika funktioner. Till exempel, elektroniska kretsar är byggda av ett begränsat antal komponenter inklusive metalliska ledare, isolatorer, halvledare, och magnetiska material. Denna process kräver integrering av en mängd olika material och kan utgöra en betydande teknisk utmaning. I kontrast, ett enda material som kan "vridas" lokalt för att realisera var och en av dessa komponenter kan möjliggöra betydande nya tekniska möjligheter.

Dessutom, Möjligheten att dynamiskt ställa in ett system med mekanisk vridning erbjuder en ny växlingsmöjlighet som kan möjliggöra helt nya enhetsapplikationer. Till exempel, traditionella omkopplare varierar vanligtvis mellan två väldefinierade tillstånd (på eller av, magnetisk eller inte, etc.). Columbia-plattformen skulle kunna göra det möjligt att växla mellan ett godtyckligt antal kompletterande stater.

Dean och Hone använder nu sin nya teknik för att studera andra kombinationer av 2D-material där egenskaperna kan ställas in genom vinkeljustering. De tittar särskilt på den senaste upptäckten av supraledning i vriden dubbelskiktsgrafen och undersöker om det kan vara en allmän egenskap hos vridna dubbelskikt gjorda av godtyckliga 2D-material.

Dean tillägger, "Vår studie visar en ny grad av frihet, nämligen rotationsorientering mellan lager, som helt enkelt inte existerar i konventionella halvledarheterostrukturer. Detta är ett sällsynt tillfälle inom halvledarområdet där vi verkligen slår en ny väg, och öppnar dörren till ett helt nytt forskningsfält där materialegenskaper kan varieras helt enkelt genom att vrida strukturen."

Studien har titeln "Vridbar elektronik med dynamiskt roterbara heterostrukturer."