MIT fysiker och kollegor har metaforiskt förvandlat grafit, eller blyertspenna, till guld genom att isolera fem ultratunna flingor staplade i en specifik ordning. Det resulterande materialet kan sedan trimmas för att uppvisa tre viktiga egenskaper som aldrig tidigare setts i naturlig grafit.
"Det är ungefär som one-stop shopping", säger Long Ju, biträdande professor vid MIT Department of Physics och ledare för arbetet, som rapporteras i Nature Nanotechnology . "I det här fallet insåg vi aldrig att alla dessa intressanta saker är inbäddade i grafit."
Vidare säger han, "Det är mycket sällsynt att hitta material som kan vara värd för så många egenskaper."
Grafit består av grafen, som är ett enda lager av kolatomer ordnade i hexagoner som liknar en bikakestruktur. Grafen har i sin tur varit i fokus för intensiv forskning sedan det först isolerades för cirka 20 år sedan. Sedan för ungefär fem år sedan upptäckte forskare, inklusive ett team vid MIT, att stapling av enskilda ark av grafen, och vridning av dem i en liten vinkel mot varandra, kan ge nya egenskaper till materialet, från supraledning till magnetism. Området "twistronics" föddes.
I det aktuella arbetet "upptäckte vi intressanta egenskaper utan några vridningar alls", säger Ju, som också är knuten till Materials Research Laboratory.
Han och kollegor upptäckte att fem lager grafen ordnade i en viss ordning gör att elektronerna som rör sig inuti materialet kan prata med varandra. Det fenomenet, känt som elektronkorrelation, "är magin som gör alla dessa nya egenskaper möjliga", säger Ju.
Bulkgrafit - och till och med enstaka ark grafen - är bra elektriska ledare, men det är allt. Materialet Ju och kollegor isolerade, som de kallar pentalayer rhombohedral stacked graphene, blir mycket mer än summan av dess delar.
Nytt mikroskop
Nyckeln till att isolera materialet var ett nytt mikroskop Ju byggt vid MIT 2021 som snabbt och relativt billigt kan fastställa en mängd viktiga egenskaper hos ett material i nanoskala. Pentalayer romboedrisk staplad grafen är bara några miljarddels meter tjock.
Forskare inklusive Ju letade efter flerskiktsgrafen som staplades i en mycket exakt ordning, känd som romboedrisk stapling. Säger Ju, "det finns fler än 10 möjliga staplingsorder när du går till fem lager. Rhombohedral är bara en av dem." Det mikroskop som Ju byggt, känt som Scattering-type Scanning Nearfield Optical Microscopy, eller s-SNOM, gjorde det möjligt för forskarna att identifiera och isolera endast pentaskikten i den romboedriska staplingsordningen de var intresserade av.
Därifrån fäste teamet elektroder till en liten smörgås bestående av bornitrid-"bröd" som skyddar det känsliga "köttet" av pentalagers romboedrisk staplad grafen. Elektroderna tillät dem att ställa in systemet med olika spänningar eller mängder elektricitet. Resultatet:de upptäckte uppkomsten av tre olika fenomen beroende på antalet elektroner som översvämmar systemet.
"Vi fann att materialet kunde vara isolerande, magnetiskt eller topologiskt", säger Ju. Det senare är något relaterat till både ledare och isolatorer. I huvudsak, förklarar Ju, tillåter ett topologiskt material obehindrad rörelse av elektroner runt kanterna på ett material, men inte genom mitten. Elektronerna färdas i en riktning längs en "motorväg" vid kanten av materialet åtskilda av en median som utgör mitten av materialet. Så kanten på ett topologiskt material är en perfekt ledare, medan mitten är en isolator.
"Vårt arbete etablerar romboedrisk staplad flerskiktsgrafen som en mycket avstämbar plattform för att studera dessa nya möjligheter med starkt korrelerad och topologisk fysik," avslutar Ju och hans medförfattare.
Förutom Ju är författare till tidningen Tonghang Han och Zhengguang Lu. Han är doktorand vid institutionen för fysik; Lu är postdoktor vid Materialforskningslaboratoriet. De två är medförfattare till tidningen.
Mer information: Tonghang Han et al, Korrelerade isolatorer och Chern-isolatorer i femlagers romboedrisk staplad grafen, Nature Nanotechnology (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01520-1
Journalinformation: Nanoteknik i naturen
Tillhandahålls av Materials Research Laboratory, Massachusetts Institute of Technology
