Tvådimensionella (2D) material, som består av ett enda lager av atomer, har väckt stor uppmärksamhet sedan isoleringen av grafen 2004. De har unika elektriska, optisk, och mekaniska egenskaper, som hög konduktivitet, flexibilitet och styrka, vilket gör dem till lovande material för sådana saker som laser, solceller, sensorer och medicinska applikationer.

När ett ark av 2D-material placeras över ett annat och något roteras, vridningen kan radikalt förändra dubbelskiktsmaterialets egenskaper och leda till exotiska fysiska beteenden, till exempel supraledning vid hög temperatur - spännande för elektroteknik; olinjär optik—spännande för lasrar och dataöverföring; och strukturell supersmörjhet - en nyupptäckt mekanisk egenskap som forskare bara börjar förstå. Studien av dessa egenskaper har fött ett nytt forskningsområde som kallas twistronics, så kallad eftersom det är en kombination av twist och elektronik.

Aalto-universitetets forskare som samarbetar med internationella kollegor har nu utvecklat en ny metod för att göra dessa tvinnade lager på skalor som är tillräckligt stora för att vara användbara, för första gången. Deras nya metod för att överföra enkelatomlager av molybdendisulfid (MoS2) gör det möjligt för forskare att exakt styra vridningsvinkeln mellan lagren med upp till en kvadratcentimeter i area, vilket gör den till rekordstor storleksmässigt. Att kontrollera mellanskiktets vridningsvinkel i stor skala är avgörande för framtida praktiska tillämpningar av twistronics.

"Vår demonstrerade vridningsmetod gör att vi kan justera egenskaperna hos staplade flerskiktade MoS2-strukturer på större skalor än någonsin tidigare. Överföringsmetoden kan också gälla andra tvådimensionella skiktade material, " säger Dr Luojun Du från Aalto-universitetet, en av verkets huvudförfattare.

Ett betydande framsteg för ett helt nytt forskningsområde

Eftersom twistronics-forskning introducerades först 2018, Grundforskning behövs fortfarande för att bättre förstå egenskaperna hos vridna material innan de hittar sina vägar till praktiska tillämpningar. Vargpriset i fysik, en av de mest prestigefyllda vetenskapliga utmärkelserna, tilldelades Profs. Rafi Bistritzer, Pablo Jarillo-Herrero, och Allan H. MacDonald i år för deras banbrytande arbete med twistronics, vilket indikerar den växande potentialen i det framväxande fältet.

Tidigare forskning har visat att det är möjligt att tillverka den erforderliga vridningsvinkeln med överföringsmetod eller manipulationstekniker med atomkraftmikroskop i små skalor. Provstorleken har vanligtvis varit i storleksordningen tio mikron, mindre än storleken på ett människohår. Större filmer med få lager har också tillverkats, men deras vridningsvinkel mellan lagren är slumpmässig. Nu kan forskarna odla stora filmer med en epitaxial tillväxtmetod och vattenassistentöverföringsmetod.

"Eftersom ingen polymer behövs under överföringsprocessen, gränssnitten i vårt prov är relativt rena. Med kontroll av vridvinkel och ultrarene gränssnitt, vi kan justera de fysiska egenskaperna, inklusive lågfrekventa mellanskiktslägen, bandstruktur, och optiska och elektriska egenskaper, " säger Du.

"Verkligen, arbetet är av stor betydelse för att vägleda framtida tillämpningar av twistronics baserat på 2-D-material, ", tillägger professor Zhipei Sun från Aalto-universitetet.

Resultaten publicerades i Naturkommunikation .