Vertikal stapling av tvådimensionella (2D) material för att bilda van der Waals homo- eller heterostrukturer har blivit ett effektivt sätt att reglera deras fysiska och mekaniska egenskaper. I synnerhet när en liten vridningsvinkel är närvarande vid det staplade gränssnittet, visar 2D-strukturerna ofta många intressanta och till och med magiska fysiska fenomen på grund av den unika mellanskiktskopplingen.
I fallet med tvåskiktsgrafen med en liten vridningsvinkel kommer det vridna gränssnittet att genomgå spontan atomrekonstruktion på grund av konkurrensen mellan mellanskiktsstaplingsenergin och den elastiska töjningsenergin inom skiktet. Denna speciella staplade struktur kan leda till många oväntade fenomen, inklusive Mott-isoleringstillstånd, okonventionell supraledning och spontan ferromagnetism.
Nyligen har det visat sig att vridna gränssnitt inte bara kan förekomma i ytskiktet, utan också kan vara inbäddade i van der Waals-strukturerna, vilket kan leda till rikare fysiska beteenden. För dessa intressanta 2D-arkitekturer är deras fysiska egenskaper mycket känsliga för staplingstillståndet hos de interna lagren och gränssnitten.
Tyvärr är det fortfarande en stor utmaning hur man exakt karakteriserar den inbäddade staplingsstrukturen. Huruvida de inbäddade vridna gränssnitten också skulle genomgå atomrekonstruktion och vilka effekter rekonstruktionen kan ha på de närliggande atomskikten såväl som de hela staplade enheterna är vetenskapligt spännande och förblir outforskade.
För att besvara dessa frågor har professor Qunyang Lis grupp vid Tsinghua University och professor Ouyang Wengens grupp vid Wuhan University utvecklat en ny metod baserad på konduktiv atomkraftsmikroskopi (c-AFM) för att karakterisera och rekonstruera det interna staplingstillståndet av vridet skiktat material genom enkla ytkonduktivitetsmätningar. Det relaterade arbetet har publicerats i National Science Review .
Deras experimentella resultat har visat att de vridna gränssnitten fortfarande kan genomgå atomrekonstruktion och särskilt påverka ytkonduktiviteten även när de är inbäddade 10 atomlager under ytan. För att bättre förstå atomstrukturen hos det vridna flerskiktssystemet har ett flerskiktsgrafensystem som liknar de experimentella proverna konstruerats i en simuleringsmodell för molekylär dynamik (MD) genom att noggrant överväga interaktionerna mellan skikten.
Simuleringsresultaten har avslöjat att för vridna gränssnitt med små vinklar som är inbäddade i det inre av material, kan atomrekonstruktion verkligen ske och främja rotationsdeformationen i planet av de intilliggande grafenskikten. Den atomära rotationsdeformationen av grafenlagret avtar dock gradvis när man rör sig bort från det vridna gränssnittet.
Baserat på de atomära strukturerna som avslöjades i MD-simuleringar, föreslog forskargruppen en serie spridningsmotståndsmodell (SSR-modell) för att kvantifiera inverkan av staplingstillståndet hos vridna flerskiktssystem på dess ytkonduktivitet.
Den nya modellen möjliggör att en korrelation mellan ytkonduktiviteten och den interna staplingsstrukturen kan göras direkt, vilket är tillämpbart även för vridna flerskiktsprov med komplexa kristalldefekter (t.ex. dislokationer). Verket tillhandahåller ett enkelt, bekvämt och högupplöst sätt att karakterisera de interna staplingsstrukturerna av tvinnade skiktade material, vilket är avgörande för grundläggande studier av 2D staplade strukturer och utvecklingen av framväxande tvinnad elektronik.
Mer information: Huan Wang et al, Deducing the interna interfaces of twisted multilayer graphene via moiré-regulated ytkonduktivitet, National Science Review (2023). DOI:10.1093/nsr/nwad175
Tillhandahålls av Science China Press
