От сверхпроводника к изолятору и обратно. Фантастические свойства скрученных 2D-материалов

Открытие материала графена, который состоит только из одного слоя атомов углерода, стало стартовым сигналом для глобальной гонки: сегодня производятся так называемые «2D-материалы», которые могут быть получены из разных типов атомов. Атомарно тонкие слои часто имеют особые свойства материала, которых не наблюдаются в традиционных материалах с обычной атомной кристаллической решеткой.

Теперь в этой области исследований добавляется еще один эффект: если два таких 2D-слоя уложены под определенным углом, то это приводит к возникновению новых свойств и возможностей. Два атомных слоя, взаимодействуя между собой, образуют замысловатые геометрические узоры, и эти узоры влияют на свойства материала.

Одним из уникальных примеров в этом направлении является возможность настройки электронных свойств 2D-слоистого графена путем изменения угла между слоями при скручивании. Таким образом, появляется возможность изменять электронные свойства 2D-материала, просто изменяя угол закручивания между его слоями, что является принципиально новым направлением в разработке электронных устройств и не только.

В этом направлении развивается твистроника (тwistronics) - это исследование того, как угол (скручивание) между слоями 2D-материалов может изменять их электрические, оптические и механические свойства. Учеными было установлено, что у таких материалов, как графен, возникают совершенно разные электрические свойства (от непроводящих до сверхпроводящих) в зависимости от угла скручивания между слоями.

Эффект муара: два слоя сложены и скручены. Это приводит к замысловатым узорам, а силы Ван-дер-Ваальса заставят атомы обоих слоев немного изменить свое положение. Это может кардинально изменить некоторые свойства материала - например, графен становится сверхпроводником. Эксперименты, проведенные учеными, подтвердили результаты расчетов: угол поворота можно использовать для определения того, какие атомные колебания физически возможны в материале. Предоставлено: TU Wien.

Достижение множества электронных свойств в обычных материалах обычно требует изменения их химического состава с помощью метода легирования. Недавно исследователи установили, что слабая связь между различными слоями 2D-материалов может использоваться для управления этими материалами способами, которые были невозможны с более традиционными способами Источник: https://physicsworld.com

Так графен, являясь двумерным слоем атомов углерода, обычно не имеет запрещенной зоны, но он образует ее при контакте с другим двумерным материалом, в частности, нитридом бора с гексагональной структурой. Оба этих материала имеют близко совпадающие постоянные решетки, а слои графена и нитрида бора образуют большую муаровую сверхрешетку. Затем, скручивая слои так, что они становятся несовместимыми, а угол между ними становится большим, запрещенная зона исчезает. Таким образом, простое изменение угла между слоями 2D-материала означает, что графен может быть преобразован с проводникового на полупроводниковый.

Магический угол сверхрешетки графена; масштаб = 10 нм. Источник: https://physicsworld.com

Уже известно, что графен может проводить электричество со сверхвысокой скоростью, но исследователи совершили гигантский скачок, превратив графен в сверхпроводник - материал, который позволяет току течь без сопротивления. Это было достигнуто путем размещения одного листа графена над другим и поворота другого листа до особой ориентации или магического угла и охлаждения слоев до температуры 1,7 К. Скручивание радикально изменило свойства бислоя - сначала превратив его в изолятор, а затем, с приложением более сильного электрического поля, в сверхпроводник.

Ученые планируют исследовать сотни материалов, которые можно создать из скрученного двухслойного графена с магическим углом, усилив необходимые эффекты.

Тот факт, что электронные свойства 2D-материала можно изменить, соединяя два слоя вместе, был уже известен раньше. Но тот факт, что этим можно управлять, в том числе и механическими колебаниями материала, теперь открывает для исследователей новые возможности.

Поскольку между двумя слоями нет химической связи, а также из-за того, что слои с небольшим смещением пытаются выровняться, вынуждая их удерживать магический угол поворота, возникают напряжения, которые приводят к субмикроскопическим холмам, впадинам и изгибам. Эти локальные искажения означают, что некоторые области устройства могут находиться в магическом диапазоне углов поворота, а другие - нет. Таким образом, посредством вибрации материала можно контролировать важные эффекты многих тел. Предоставлено: Эрик Зумальт, Лукас Линхарт

 

В настоящее время электронные схемы состоят из конечного числа компонентов, включая металлические проводники, изоляторы, полупроводники и магнитные материалы, и этот процесс требует интеграции множества различных материалов, что создает значительные инженерные проблемы.

Возможность настраивать свойства слоистого материала путем изменения угла закручивания дает возможность одному материалу выполнять множество функций вместо использования множества материалов для различных функций.

Используя эффекты твистроники при закручивании между слоями 2D-материала, появляется возможность влиять на их электронные, оптические и механические свойства. Это поможет в разработке новых видов коммутационных технологий, например, настраиваемых датчиков и настраиваемых электромеханических и электрооптических устройств.

Исследователи полагают, что можно было бы вводить, включать и выключать аналогичные эффекты, такие как спонтанное магнитное упорядочение и топологически защищенные запрещенные зоны контролируемым скручиванием с возможностью применения их в нанофотонике и квантовой информации.

Таким образом, материально-физический эффект муара делает и без того широкую область исследований 2D-материалов еще более глобальной - одновременно увеличивая вероятность продолжения открытия новых слоистых материалов со свойствами, которые не могли быть достигнуты ранее.