Materialforskare kan kontrollera mellanskiktets vridningsvinkel för material för att erbjuda en kraftfull metod för att justera elektroniska egenskaper hos tvådimensionella (2-D) van der Waals-material. I sådana material, den elektriska ledningsförmågan kommer att öka monotont (konstant) med den minskande vridningsvinkeln på grund av förbättrad koppling mellan intilliggande lager. I en ny rapport, Shuai Zhang och ett team av forskare inom funktionella material, teknik, nanosystem och tribologi, i Kina, beskrev en uppsättning för icke-monoton vinkelberoende vertikal ledningsförmåga över gränssnittet av tvåskiktsgrafen som innehåller låga vridningsvinklar. Den vertikala konduktiviteten ökade gradvis med den minskande vridningsvinkeln, dock, efter ytterligare minskning av vridningsvinkeln, materialets konduktivitet minskade avsevärt. Forskarna avslöjade det onormala beteendet med hjälp av densitetsfunktionsteori (DFT) beräkningar och scanning tunneling microscopy (STM) och krediterade resultatet till den ovanliga minskningen av den genomsnittliga bärartätheten som härrörde från lokala atomrekonstruktioner. Atomrekonstruktion kan inträffa på grund av samspelet mellan van der Waals interaktionsenergi och den elastiska energin vid gränsytan, leder till spännande strukturer. Effekten av atomrekonstruktion var betydande på vertikal ledningsförmåga för låg vinkel, vridna 2-D van der Waals material; tillhandahålla en ny strategi för att designa och optimera deras elektroniska prestanda.

Justera de elektroniska egenskaperna hos 2D-material

Materialforskare har visat metoder för att variera mellanskiktets vridningsvinkel för att tillhandahålla en effektiv strategi för att ställa in elektroniska egenskaper hos van der Waals-strukturer. Nyligen genomförda experiment har avslöjat hur ledningsförmågan mellan skikten hos 2-D van der Waals-strukturer som grafen/grafen eller grafen/grafitövergångar minskade monotont med en ökande vridningsvinkel. Forskare kan förklara sådan monoton vinkelberoende mellanskiktskonduktivitet med hjälp av en fononmedierad mellanskiktstransportmekanism. Bortsett från ledningsförmåga mellan skikt, den vertikala konduktiviteten kan undersökas med hjälp av konduktans atomkraftsmikroskopi (c-AFM), där resultaten visade liknande trender för olika 2D-material med ett stort vridningssystem. Nyligen genomförda studier på tvinnad dubbelskiktsgrafen med låg vinkel (TBG) hade visat effekterna av konkurrenskraftiga van der Waals-interaktioner och elasticitet i planet som påverkar den lokala rekonstruktionen av grafen i atomskala, att avslöja okonventionella elektroniska egenskaper som supraledning, korrelerade isolatorer och spontan ferromagnetism. Det är därför vetenskapligt spännande att undersöka den vertikala konduktiviteten hos vriden dubbelskiktsgrafen (TBG) och förstå hur den utvecklas med vridningsvinkeln.

Under experimenten, Zhang et al. använde en tjock hexagonal bornitridflinga (h-BN) som substrat och odlade tvåskiktsgrafen med kemisk ångavsättning. I dessa prover, det undre lagret av grafen bildade en kontinuerlig polykristallin film, medan det översta lagret av grafen förblev en enkristall grafenö. Denna unika provstruktur gjorde det möjligt för dem att undersöka ett stort antal vridna dubbelskiktsgrafendomäner med ett brett spektrum av vridningsvinklar. Under ledande AFM-mätningar, teamet applicerade en konstant förspänning mellan den ledande sonden och filmen för att kontinuerligt övervaka strömmen i installationen. Med den minskande vridningsvinkeln, forskarna noterade en minskning av vertikal ledningsförmåga för vriden dubbelskiktsgrafen, en distinkt annorlunda egenskap från den monotona vinkelberoende konduktiviteten som observerats i tidigare undersökningar.

Utforska det onormala vridningsvinkelberoendet i vriden dubbelskiktsgrafen (TBG)

För att utforska denna ovanliga funktion, Zhang et al. genomfört mätningar på fler TBG-prover. När vridningsvinkeln minskade från 120 grader till fem grader, konduktiviteten hos TBG ökade gradvis, överensstämmer med tidigare rapporter. När vridningsvinkeln minskade under fem grader, dock, teamet noterade den ovanliga minskningen av konduktiviteten. För att utesluta påverkan av det hexagonala bornitridsubstratet, de överförde monolagergrafen till grafitens yta med en kontrollerbar låg vridningsvinkel, och mätte den vertikala konduktiviteten med c-AFM (konduktiv atomkraftsmikroskopi), att observera ett liknande ovanligt resultat. Teamet utförde sedan konduktivitetsmätningar med finare upplösning för att undersöka ursprunget till den onormala minskningen av konduktiviteten, när vridningsvinklarna var under fem grader.

För att förstå komplexiteten, de karakteriserade moiré- och sub-moiré-skalastrukturerna med högre upplösning med hjälp av STM-experiment (scanning tunneling microscopy) på vridna tvåskiktsgrafenprover med låga vridningsvinklar (som sträcker sig från 0,6 grader, 1,1 grader till 3,3 grader). Moiré-supergittren är strukturer framställda av 2-D-lager staplade med en vridningsvinkel och/eller gallerfel. Enligt STM-mätningarna, den lokala densiteten av tillstånd på ytan av vridet dubbelskiktsgrafen minskade när vridningsvinkeln minskade från 3,3 grader till 0,6 grader. Dubbelskiktsgrafenen är en halvmetall som kan anta den så kallade "AB-staplade strukturen" eller den sällsynta "AA-staplade strukturen" - som förutspås vara mycket olika varandra. I det här fallet, regionen med låg och hög ledningsförmåga i vriden dubbelskiktsgrafen motsvarade ungefär de AB-/BA- och AA-staplade regionerna, respektive.

Teoretiska beräkningar

Zhang et al. utförde även teoretiska beräkningar för att förstå hur moiré-supergitterstrukturen och lokal rekonstruktion ledde till onormal vertikal konduktivitet. I samtliga fall, de AA-staplade regionerna visade bättre konduktivitet jämfört med de AB-sackade regionerna. Teamet kvantifierade variationen av konduktivitet med vridningsvinklarna, via simuleringar, för att reproducera de experimentella observationerna. Forskarna studerade också grafen-grafen-mellanskiktskonduktiviteten för att förstå ursprunget till korsningsbeteende. Med hjälp av DFT (density functional theory) beräkningar, de fann närvaron av AA-staplade regioner för att förbättra den lokala bärardensiteten, detta fenomen uppstod på grund av högre lokal bärarackommodation i den AA-staplade regionen i moiré-supergitterstrukturen.

Syn

På det här sättet, den vertikala transportegenskapen för tvinnad dubbelskiktsgrafen (TBG) kunde bestämmas av två faktorer:inklusive ytbärardensitet och tunnelbarriären mellan skikten. Den höga bärartätheten och den låga tunnelbarriären var båda väsentliga för hög konduktivitet. Shuai Zhang och kollegor använde TBG som ett exempel och fann att den vertikala konduktiviteten hos van der Waals heterostrukturer uppvisar ett icke-monotoniskt beroende av vridningsvinkeln. När vridningsvinkeln nådde en tröskel under 5 grader, den vertikala konduktiviteten minskade onormalt på grund av en anmärkningsvärd minskning av bärartätheten. Resultaten betonade inflytandet av atomrekonstruktion på vertikal ledningsförmåga i 2D-gränssnitt. Arbetet erbjuder vägledning för att optimera den elektriska prestandan hos vriden dubbelskiktsgrafen och andra 2-D van der Waals-strukturer inom området optoelektronik.

© 2020 Science X Network