Fysiker från University of Sheffield har upptäckt att när två atomärt tunna grafenliknande material placeras ovanpå varandra förändras deras egenskaper, och ett material med nya hybridegenskaper uppstår, banar väg för design av nya material och nano-enheter.

Detta händer utan att fysiskt blanda de två atomskikten, inte heller genom en kemisk reaktion, men genom att fästa lagren till varandra via en svag så kallad van der Waals-interaktion – liknande hur en klibbig tejp fäster på en plan yta.

I den banbrytande studien publicerad i Natur , forskare har också funnit att egenskaperna hos det nya hybridmaterialet kan kontrolleras exakt genom att vrida de två staplade atomskikten, öppnar vägen för användningen av denna unika grad av frihet för nanoskalig kontroll av kompositmaterial och nanoenheter i framtida teknologier.

Idén att stapla lager av olika material för att göra så kallade heterostrukturer går tillbaka till 1960-talet, när halvledare galliumarsenid undersöktes för att göra miniatyrlasrar - som nu används flitigt.

I dag, heterostrukturer är vanliga och används mycket brett inom halvledarindustrin som ett verktyg för att designa och kontrollera elektroniska och optiska egenskaper i enheter.

Mer nyligen i eran av atomärt tunna tvådimensionella (2-D) kristaller, som grafen, nya typer av heterostrukturer har dykt upp, där atomärt tunna lager hålls samman av relativt svaga van der Waals-krafter.

De nya strukturerna med smeknamnet 'van der Waals heterostrukturer' öppnar en enorm potential för att skapa många 'meta'-material och nya enheter genom att stapla ihop valfritt antal atomärt tunna lager. Hundratals kombinationer blir möjliga annars otillgängliga i traditionella tredimensionella material, potentiellt ge tillgång till ny outforskad optoelektronisk enhetsfunktionalitet eller ovanliga materialegenskaper.

I studien använde forskarna van der Waals heterostrukturer gjorda av så kallade övergångsmetalldikalkogenider (TMDs), en bred familj av skiktade material. I sin tredimensionella bulkform påminner de något om grafit - materialet som används i blyertspennor - varifrån grafen extraherades som ett enda 2D-atomlager av kol.

Forskarna fann att när två atomärt tunna halvledande TMD kombineras i en enda struktur hybridiserar deras egenskaper.

Professor Alexander Tartakovskii, från Institutionen för fysik och astronomi vid University of Sheffield, sa:"Materialen påverkar varandra och förändrar varandras egenskaper, och måste betraktas som ett helt nytt 'meta'-material med unika egenskaper – så ett plus ett blir inte två.

"Vi finner också att graden av sådan hybridisering är starkt beroende av vridningen mellan de individuella atomgittren i varje lager.

"Vi finner att när vi vrider lagren, den nya supraatomära periodiciteten uppstår i heterostrukturen – kallad moiré-supergitter.

"Moiré supergitter, med perioden beroende av vridningsvinkeln styr hur egenskaperna hos de två halvledarna hybridiserar."

I andra studier, liknande effekter har upptäckts och studerats mest i grafen, den "grundande" medlemmen av 2D-materialfamiljen. Den senaste studien visar att andra material, i synnerhet halvledare som TMD, visa stark hybridisering, som dessutom kan styras av vridningsvinkeln.

Forskare tror att studien visar en enorm potential för att skapa nya typer av material och enheter.

Professor Tartakovskii tillade:"Den mer komplexa bilden av interaktion mellan atomärt tunna material inom van der Waals heterostrukturer framträder. Det här är spännande, eftersom det ger möjlighet att få tillgång till ett ännu bredare utbud av materialegenskaper som ovanlig och vridbar elektrisk ledningsförmåga och optisk respons, magnetism etc. Detta kan och kommer att användas som nya frihetsgrader vid design av nya 2D-baserade enheter."

Forskare skulle vilja göra ytterligare studier för att utforska fler materialkombinationer för att se vilka möjligheter den nya metoden har.