Ett noggrant konturerat substrat kan sätta upp töjningsmönster i tvådimensionella material som påverkar deras elektroniska och magnetiska egenskaper, enligt en teoretisk studie vid Rice University. Dessa mönster skulle kunna användas för att utforska kvanteffekter. Kredit:Yakobson Research Group
Atomer gör konstiga saker när de tvingas ut ur sina komfortzoner. Rice Universitys ingenjörer har tänkt ut ett nytt sätt att ge dem en knuff.
Materialteoretikern Boris Yakobson och hans team vid Rices George R. Brown School of Engineering har en teori om att det kan vara enklare att ändra konturen av ett lager av 2D-material, och därmed förändra relationerna mellan dess atomer, att göra än tidigare trott.
Medan andra vrider 2D-dubbelskikt – två lager staplade tillsammans – av grafen och liknande för att ändra deras topologi, föreslår Rice-forskarna genom beräkningsmodeller att odling eller stämpling av enskikts 2D-material på en noggrant utformad böljande yta skulle uppnå "en oöverträffad nivå av kontroll" över deras magnetiska och elektroniska egenskaper.
De säger att upptäckten öppnar en väg för att utforska många kroppseffekter, interaktionerna mellan flera mikroskopiska partiklar, inklusive kvantsystem.
Uppsatsen av Yakobson och två alumner, medförfattare Sunny Gupta och Henry Yu, från hans labb visas i Nature Communications .
Forskarna inspirerades av nya upptäckter att vridning eller på annat sätt deformering av 2D-materials dubbellager som tvålagersgrafen till "magiska vinklar" inducerade intressanta elektroniska och magnetiska fenomen, inklusive supraledning.
Deras modeller visar att istället för att vrida, helt enkelt stämpla eller odla ett 2D-material som hexagonal bornitrid (hBN) på en ojämn yta naturligt belastar materialets gitter, vilket gör att det kan bilda pseudoelektriska och pseudomagnetiska fält och möjligen uppvisa rika fysiska effekter liknande de som finns i vridna material.
En teori från Rice-forskare föreslår att 2D-material som hexagonal bornitrid, överst, skulle kunna placeras ovanpå en konturerad yta, mitt, och därmed manipuleras för att bilda 1D-band som antar elektroniska eller magnetiska egenskaper. Kredit:Yakobson Research Group
Platt hBN är en isolator, men forskarna fann att ansträngning av atomerna i deras modell skapade bandstrukturer, vilket i praktiken gjorde den till en halvledare.
Fördelen med deras strategi, sa Gupta, är att deformationen skulle vara mycket kontrollerbar genom ytbulorna, eftersom substrat kunde mönstras noggrant med hjälp av elektronstrålelitografi. "Detta kommer också att göra det möjligt för en att kontrollerat ändra de elektroniska tillstånden och kvanteffekterna genom att designa substrat med olika topografi," sa han.
Eftersom laddningen kan manipuleras för att flöda i en riktning, är vägen den följer en modell för 1D-system. Yakobson sa att det kan användas för att utforska egenskaper hos 1D-kvantsystem som inte kan nås genom vriden grafen.
"Föreställ dig en väg med ett körfält så att bilarna bara tillåts röra sig i en riktning", sa Gupta. "En bil kan inte köra om den framför, så trafiken rör sig bara när alla bilar rör sig tillsammans.
"Detta är inte fallet i 2D eller när du har flera körfält, där bilarna - eller elektronerna - kan passera," sa han. "Som bilar kommer elektroner i ett 1D-system att flöda kollektivt och inte individuellt. Detta gör 1D-system speciella med rik, outforskad fysik."
Gupta sa att det skulle vara mycket lättare att bilda ett ojämnt substrat med en elektronstråle än vad det för närvarande är att vrida 2D-dubbelskikt av grafen eller andra heterostrukturer som hBN till mindre än en enda grad av noggrannhet.
"Dessutom kan man realisera 1D-kvanttillstånd, som vanligtvis inte är tillgängliga genom att vrida 2D-dubbelskikt", sa han. "Detta kommer att möjliggöra utforskning av fysiska effekter i 1D som har förblivit i stort sett svårfångade fram till nu." + Utforska vidare
