I en ny studie har forskare från Singapore och Spanien presenterat en ny väg för att utforska exotisk fysik i grafen. De fokuserar på elektronisk interaktion i grafen när det är inklämt i en treskiktsstruktur som ger en plattform för att utnyttja unika elektroniska bandkonfigurationer.
Grafen är ett 2D-ark av kolatomer arrangerade i ett hexagonalt gitter (arrangemang) som visar egenskaper som hög elektrisk ledningsförmåga, mekanisk styrka och flexibilitet. Detta har väckt forskarnas intresse som en lovande kandidat för elektroniska ansökningar.
Mycket lite har dock studerats om de elektroniska egenskaperna hos enskiktsgrafen.
I detta nya Fysiska granskningsbrev studien fokuserade forskarna på att studera dessa egenskaper genom att lägga grafen mellan två bulkbornitridskikt.
Verket var en del av den första författaren, Mohammed M. Al Ezzis Ph.D. vid National University of Singapore (NUS), som nu arbetar som post-doc under Prof. Shaffique Adam vid NUS.
Inom materialvetenskap staplas olika lager av material ovanpå varandra för att skapa en ny struktur som kallas moiréstruktur. Dessa lager är felinriktade vilket leder till bildandet av ett moirémönster.
Dessa lager interagerar med varandra genom olika krafter, i detta fall genom van der Waal-krafter. Detta leder till variationer i den potentiella energin som upplevs av elektronen i materialet (grafen eller bornitrid), känd som moirépotentialen.
Så moirépotentialen uppstår från interferensen mellan de två materialens atomarrangemang, vilket resulterar i en periodisk modulering av den potentiella energin i grafenskiktet.
Denna moirépotential spelar en avgörande roll för att påverka materialets elektroniska egenskaper och kan leda till uppkomsten av unika fenomen som platta band och topologiska tillstånd.
Forskarna föreslår en struktur i tre lager, med grafenskiktet i mitten för att inducera topologiska band. Den resulterande strukturen är känd som en supermoiré-struktur.
Det kallas en super-moiré-struktur eftersom det finns två distinkta moiré-strukturer, från de övre och nedre bornitridsubstraten. Detta ger upphov till en del exotisk fysik, det vill säga okonventionell fysik.
Prof. Adam förklarade, "Genom att placera grafen mellan bornitridsubstraten och justera inriktningen till specifika vridningsvinklar kan vi inducera topologiska platta band i grafens energispektrum. Dessa platta band är i sin tur troligen värd för robusta starkt korrelerade elektrontillstånd."
Topologiska band är ett unikt elektroniskt tillstånd i ett material som har speciella egenskaper på grund av sin ovanliga struktur. De representerar en avvikelse från konventionella elektroniska tillstånd som ledare eller isolatorer.
För sitt arbete angav forskarna vridningsvinklar på 0 grader för det nedre bornitridlagret och runt 0,6 grader för det övre bornitridlagret. Dessa vinklar representerar mängden rotation som appliceras på lagren i förhållande till deras ursprungliga orienteringar.
Forskarnas modell för treskiktsstrukturen visade förekomsten av ett topologiskt platt band som ett resultat av moirépotentialen.
Dessa platta band representerar platta energinivåer, vilket innebär att energin hos elektronerna inom dessa band inte förändras mycket eftersom deras rörelsemängd varierar (tänk på det som att gå över en platå).
Frågan som uppstår nu är:Vad är betydelsen av dessa topologiska platta band?
Förekomsten av dessa platta band är en unik egenskap och kan användas för att utnyttja olika elektroniska egenskaper och därför unika elektroniska applikationer.
Till exempel beter sig topologiska isolatorer som isolatorer i sin bulk men leder elektricitet längs sin yta eller kanter.
Forskarna tror att dessa topologiska platta band för monolagergrafen kan ge upphov till korrelerad fysik, där elektronerna beter sig som en kollektiv enhet (via Coulombic interaktioner), vilket ger upphov till nya elektroniska tillstånd, såsom supraledning, magnetism och isolerande faser.
Prof. Adam förklarade, "Olika moiré-system gjorda av flera enskiktsgrafenark har visat uppkomsten av korrelerad fysik och platta band. Men det finns för närvarande ingen enhetlig förståelse för uppkomsten av platta band och korrelerad fysik i dessa olika moiré-system."
"Ett sätt att få en enhetlig förståelse för uppkomsten av platta band och korrelerad fysik i alla olika grafenbaserade moiré-system är att studera platta band i ett enda monolagerark. Att studera ett enda monolager grafen kan berätta för oss de minsta ingredienserna att visa platta band och korrelerade faser."
Forskarna visade också generalisering genom att utvidga sina upptäckter till grafen-dubbel- och treskiktskonfigurationer, vilket visade potential för supraledning.
De visade vidare att dessa topologiska platta band var extremt stabila, vilket indikerar deras robusthet och tillförlitlighet för att stödja korrelerad fysik.
Det finns flera andra metoder för att inducera dessa starka elektroniska interaktioner som ger upphov till korrelerad fysik. Men några av dem kan påverka grafenkvaliteten i sig.
"En vanlig metod för att inducera starka elektroninteraktioner i grafen involverar mekanisk deformation. Men detta tillvägagångssätt äventyrar ofta kvaliteten på grafen och ställer till utmaningar i kontrollen."
"Vår metod främjar starkare elektroniska interaktioner genom att inducera platta band samtidigt som grafenens inneboende högkvalitativa egenskaper bevaras", säger prof. Adam.
Forskarna är redan involverade i ett företag som heter FLEET som utvecklar topologiska transistorer och hoppas att deras arbete med topologiska platta band kan hjälpa till att realisera nya enheter.
Resultaten är spännande för utvecklingen av ny grafenbaserad elektronik och även för att främja förståelsen av kondenserad materiens fysik och exotisk fysik.
Mer information: Mohammed M. Al Ezzi et al, Topological Flat Bands in Graphene Super-Moiré Lattices, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.126401. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2306.10116
Journalinformation: arXiv , Fysiska granskningsbrev
© 2024 Science X Network
