En grupp internationella forskare vid University of Manchester har avslöjat en ny metod som kan finjustera vinkeln - "twist" - mellan atomtunna lager som bildar exotiska konstgjorda nanoenheter som kallas van der Waals heterostrukturer - och hjälpa till att accelerera nästa generations elektronik .

Den nya tekniken kan uppnå in situ dynamisk rotation och manipulation av 2D-material skiktade ovanpå varandra för att bilda van der Waals heterostrukturer - nanoskala enheter som stoltserar med ovanliga egenskaper och spännande nya fenomen, förklarade teamledare professor Mishchenko.

Inställning av vridningsvinkeln styr topologin och elektroninteraktionerna i 2D-material – och en sådan process, kallas "twistronics", är ett växande forskningsämne inom fysik de senaste åren. Den nya Manchester-ledda studien kommer att publiceras i Vetenskapens framsteg i dag.

"Vår teknik möjliggör vridna van der Waals heterostrukturer med dynamiskt inställbara optiska, mekanisk, och elektroniska egenskaper." förklarade Yaping Yang, huvudförfattaren till detta verk.

Yaping Yang tillade:"Denna teknik, till exempel, kan användas i autonom robotmanipulation av tvådimensionella kristaller för att bygga van der Waals supergitter, som skulle möjliggöra exakt positionering, rotation, och manipulering av 2D-material för att tillverka material med önskade vridvinklar, för att finjustera elektroniska och kvantegenskaper hos van der Waals-material."

Att vrida lager av 2D-kristaller i förhållande till varandra resulterar i bildandet av ett moirémönster, där gitter av de överordnade 2D-kristallerna bildar ett supergitter. Detta supergitter kan helt förändra elektronernas beteende i systemet, leder till observation av många nya fenomen, inklusive starka elektronkorrelationer, fraktal kvant Hall-effekt, och supraledning.

Teamet demonstrerade denna teknik genom att framgångsrikt tillverka heterostrukturer där grafen är perfekt anpassad till både övre och nedre inkapslande lager av hexagonal bornitrid – kallad "vit grafen" – vilket skapar dubbla moiré-supergitter vid de två gränssnitten.

Som publicerat i Vetenskapens framsteg , tekniken förmedlas av ett polymerresistplåster på mål 2-D-kristaller och en polymergelmanipulator, som exakt och dynamiskt kan styra rotationen och positioneringen av 2D-material.

"Vår teknik har potential att ta med twistronics inuti kryogena mätsystem, till exempel, genom att använda mikromanipulatorer eller mikro-elektromekaniska enheter" tillade Artem Mishchenko.

Forskarna använde ett objektglas med en droppe polydimetylsiloxan (PDMS) som en manipulator, som härdas och naturligt formas till en hemisfärgeometri. Sålänge, de deponerade avsiktligt ett epitaxiellt polymetylmetakrylat (PMMA)-plåster ovanpå en målkristall i 2D genom en vanlig elektronstrålelitografi.

Stegen för att manipulera målflingor i en heterostruktur är lätta att följa. Genom att sänka ner polymergelhandtaget, PDMS-halvklotet bringas i kontakt med PMMA-plåstret. När de rör vid varandra, man kan enkelt flytta eller rotera mål 2-D kristallerna på ytan av bottenflaken. En sådan jämn rörelse av 2-D-flingorna är baserad på supersmörjbarheten mellan de två kristallina strukturerna.

Superlubricitet är ett fenomen där friktionen mellan atomärt plana ytor försvinner beroende på vissa förhållanden.

Manipulationstekniken möjliggör kontinuerlig inställning av vridningsvinkeln mellan skikten även efter heterostrukturmonteringen. Man kan designa den epitaxiella PMMA-lappen till en godtycklig form på begäran, normalt med den geometri som passar målflingan. Manipulationstekniken är bekväm och reproducerbar eftersom PMMA-plåstret lätt kan tvättas bort med aceton och mönstras igen med litografi.

I vanliga fall, för en noggrant tillverkad PDMS-halvklot, kontaktytan mellan halvklotet och en 2D-kristall beror på hemisfärens radie och är mycket känslig för kontaktkraften, vilket gör det svårt att exakt kontrollera rörelsen av mål 2-D kristallen.

"Det epitaxiella PMMA-plåstret spelar en avgörande roll i manipulationstekniken. Vårt knep ligger i att kontaktytan på polymergelmanipulatorn är begränsad exakt till den mönstrade formen på det epitaxiala polymerskiktet. Detta är nyckeln till att förverkliga exakt kontroll av manipulation, så att en mycket större kontrollerande kraft kan appliceras." sa Jidong Li, en av medförfattarna.

Jämfört med andra manipulationstekniker av 2D-material, som att använda atomkraftmikroskopspetsar (AFM) för att trycka en kristall med en specifikt tillverkad geometri, in situ twistronics-tekniken är oförstörande och kan manipulera flingor oavsett deras tjocklek, En AFM-spets fungerar bättre bara för tjocka flingor och kan förstöra tunna.

Perfekt anpassning av grafen och hexagonal bornitrid visar teknikens potential i twistronics-applikationer.

Med hjälp av in-situ-tekniken, forskarna har framgångsrikt roterat 2D-lager i en bornitrid/grafen/bornitrid-heterostruktur för att realisera en perfekt anpassning mellan alla lager. Resultaten visar bildandet av dubbla moiré-supergitter vid de två gränssnitten av heterostrukturen. Dessutom, forskarna observerade signaturen av den andra ordningens (sammansatta) moireacute; mönster som genereras av den dubbla moireacute; supergaller.

Denna heterostruktur med perfekt anpassad grafen och bornitrid visar potentialen hos manipulationstekniken i twistronics.

"Tekniken kan lätt generaliseras till andra 2-D-materialsystem och möjliggör reversibel manipulation i alla 2-D-system borta från motsvarande regim", sa Yaping Yang, som utförde försöksarbetet.

Professor Mishchenko tillade:"Vi tror att vår teknik kommer att öppna upp en ny strategi inom enhetsteknik och hitta dess tillämpningar inom forskning av 2-D kvasikristaller, platta band med magisk vinkel, och andra topologiskt icke-triviala system."