En nyligen genomförd studie från labbet av James Hone (mekanik) och Cory Dean (fysik) visar ett nytt sätt att justera egenskaperna hos tvådimensionella (2-D) material helt enkelt genom att justera vridningsvinkeln mellan dem. Forskarna byggde enheter bestående av enskiktsgrafen inkapslad mellan två kristaller av bornitrid och, genom att justera den relativa vridningsvinkeln mellan lagren, de kunde skapa flera moirémönster.

Moiré-mönster är av stort intresse för fysiker av kondenserad materia och materialforskare som använder dem för att förändra eller generera nya elektroniska materialegenskaper. Dessa mönster kan bildas genom att anpassa bornitrid (BN, en isolator) och grafen (en halvmetall) kristaller. När dessa bikakenät av atomer är nära inriktning, de skapar ett moiré-supergitter, ett interferensmönster i nanoskala som också ser ut som en bikaka. Detta moiré-supergitter förändrar den kvantmekaniska miljön för de ledande elektronerna i grafenet, och kan därför användas för att programmera betydande förändringar i de observerade elektroniska egenskaperna hos grafen.

Hittills, de flesta studier om effekterna av moiré-supergitter i grafen-BN-system har tittat på ett enda gränssnitt (med antingen den övre eller nedre ytan av grafenet övervägd, men inte båda). Dock, en studie publicerad av Hone and Dean förra året visade att total rotationskontroll över ett av de två gränssnitten var möjlig inom en enda enhet.

Genom att designa en enhet som har beständig justering vid ett gränssnitt, och avstämbar justering vid den andra, Columbia-teamet har nu kunnat studera effekterna av flera moiré-supergitterpotentialer på ett lager av grafen.

"Vi bestämde oss för att titta på både topp- och bottenytor av grafen i en enda nanomekanisk enhet, sa Nathan Finney, en Ph.D. student i Hones labb och medförfattare till uppsatsen, publicerad online 30 september av Naturens nanoteknik och nu omslagsberättelsen till novembers tryckta upplaga. "Vi hade en aning om att genom att göra det, vi skulle potentiellt kunna fördubbla styrkan hos moiré-supergittret med hjälp av de samexisterande moiré-supergittren från de övre och nedre gränssnitten."

Teamet upptäckte att vridning av vinkeln på lagren gjorde det möjligt för dem att kontrollera både styrkan på moiré-supergittret och dess övergripande symmetri, slutsatsen från de signifikanta förändringarna i de elektroniska egenskaperna hos grafen som observerats.

Vid vinklar nära inriktning, en kraftigt förändrad grafenbandstruktur uppstod, observerbar i bildandet av samexisterande icke-överlappande moirémönster med lång våglängd. Vid perfekt inriktning, grafenens elektroniska luckor var antingen kraftigt förstärkta eller undertryckta, beroende på om den övre roterbara BN var vriden 0 eller 60 grader. Dessa förändringar i de elektroniska luckorna motsvarade de förväntade förändringarna i symmetri för de två inriktningskonfigurationerna - inversionssymmetri bruten vid 0 grader, och inversionssymmetri återställd vid 60 grader.

"Det här är första gången någon har sett det fullständiga rotationsberoendet av samexisterande moiré-supergitter i en enhet, ", konstaterar Finney. "Denna grad av kontroll över symmetrin och styrkan hos moiré-supergitter kan appliceras universellt på hela inventeringen av 2D-material vi har tillgängligt. Denna teknik möjliggör utveckling av nanoelektromekaniska sensorer med tillämpningar inom astronomi, medicin, Sök och rädda, och mer."

Forskarna förfinar nu förmågan att vrida monolager av ett brett utbud av 2D-material för att studera sådana exotiska effekter som supraledning, topologiskt inducerad ferromagnetism, och icke-linjär optisk respons i system som saknar inversionssymmetri.