Forskare vid universitetet i Antwerpen rapporterar hur högre ordningens periodiska moduleringar kallade supermoiré orsakade av inkapslingen av grafen mellan hexagonal bornitrid påverkar grafens elektroniska och strukturella egenskaper, som avslöjats i tre nyligen oberoende experiment.

Högkvalitativa grafenprover är av stor betydelse för att erhålla och utnyttja dess teoretiskt beskrivna egenskaper. Att använda ett adekvat substrat minskar korrugeringen och förbättrar annars oordningsbegränsade egenskaper hos grafen. Hexagonal bornitrid (hBN) är ett särskilt bra val, eftersom det perfekt bevarar grafenstrukturen samtidigt som det ger en platt isolerande yta.

Fortfarande, detta gäller endast om de två monoskikten är felinriktade. Annat, van der Waals-interaktionen inducerar strukturell relaxation på skalan av moirémönstret som bildas mellan de två skikten och modifierar de elektroniska egenskaperna på grund av den periodiska moiré-störningen. Liknande argument gäller om grafen är inkapslat och nära inriktat med två hBN-lager. I detta fall, effekten förstärks eftersom båda skikten förväntas bidra. Vidare, tät inriktning i storleksordningen 0,5 grader mellan lagren är ansvarig för uppkomsten av en ny form av periodisk supermoiré-modulering, som förändrar grafen i en större rumslig skala men mindre energiskala. Nyligen genomförda experimentella observationer av sådana effekter är en konsekvens av betydande förbättringar av experimentell manipulationsteknik, och bl.a. möjligheten att rotera enskilda lager med hög precision (Wang et al. 2019a; Wang et al. 2019b; Finney et al. 2019).

I deras tidning publicerad den 21 januari i Nanobokstäver , Anđelković et al. avslöja under vilka förhållanden supermoiréeffekten uppträder, och hur det förändrar grafenens strukturella och elektroniska egenskaper. De visar, utgående från en stel hBN/grafen/hBN-heterostruktur, hur supermoirén framstår som en enkel geometrisk betraktelse. Vidare, de bevisar att avslappningseffekter i de tre skikten förväntas förstärka effekterna på den elektroniska bandstrukturen. De supermoiré-inducerade modifikationerna är betydande:Nya, låg energi, platta delband och Dirac-punkter visas, med stark effekt på elektroniska transportegenskaper. I de flesta konfigurationer, Dirac-punkterna är gapade, medan platta band förväntas förbättra elektron-elektronkorrelationer. "Dessa nya vridna frihetsgrader i heterostrukturer öppnar för nya grundläggande forskningsriktningar inom grafen, där starka elektroniska korrelationer förväntas komplettera de redan superlativa egenskaperna hos grafen, '' sa Dr Lucian Covaci.

"Set av flerskaliga numeriska simuleringar som utvecklats av teamet vid universitetet i Antwerpen möjliggör mer realistiska modeller, vilket i sin tur möjliggör en mer direkt jämförelse med experimentella observationer, '' sa Dr. Miša Anđelković, en medutvecklare av Pybinding, den tätt bindande mjukvaran med öppen källkod som gjorde simuleringarna möjliga.

Med ett nytt ljus som belyser förståelsen av mer komplexa och störande beteenden hos van der Waals heterostrukturer är det möjligt att finjustera grafenens elektroniska egenskaper och nå regimer där vridinducerade fenomen, t.ex. platta band eller utseendet på minigap, avslöja sig tydligare.