Физики представили новую технологию изготовления графеновых устройств

Думаете, что знаете о материале все? Попробуйте повернуть его — в буквальном смысле слова.

Такова основная идея зарождающегося направления в физике конденсированного состояния вещества под названием «твистроника», в рамках которого исследователи радикально меняют свойства двумерных материалов, таких как графен, с помощью едва заметных изменений — например, увеличения угла между слоями с 1,1° до 1,2°. Например, было показано, что скрученные слои графена ведут себя так, как не ведут себя отдельные листы, в том числе как магниты, как электрические сверхпроводники или как противоположность сверхпроводника — изоляторы, и все это за счет небольшого изменения угла скручивания между листами.

Теоретически можно придать любое свойство, поворачивая ручку, изменяющую угол скручивания. Однако в реальности все не так просто, говорит физик из Колумбийского университета Кори Дин. Два скрученных слоя графена могут стать похожими на новый материал, но почему именно проявляются эти различные свойства, пока не очень хорошо понятно, не говоря уже о том, что ими можно полностью управлять.

Дин и его лаборатория разработали новую простую технологию изготовления, которая может помочь физикам исследовать фундаментальные свойства скрученных слоев графена и других двумерных материалов более систематическим и воспроизводимым способом. Авторы статьи, опубликованной в журнале Science, используют длинные «ленты» графена, а не квадратные хлопья, для создания устройств, которые обеспечивают новый уровень предсказуемости и контроля над углом скручивания и деформацией.

Графеновые устройства обычно собирались из атомарно тонких чешуек графена площадью всего несколько квадратных микрометров. В результате угол скручивания между листами фиксируется, и чешуйки сложно ровно уложить друг на друга.

Представьте себе графен в виде кусочков саранской пленки — когда вы соединяете два кусочка вместе, получаются случайные морщинки и пузырьки, — говорит постдок Бьярке Йессен, соавтор статьи.

Эти пузырьки и морщинки напоминают изменения угла скручивания между листами и физическую деформацию, возникающую между ними, и могут приводить к произвольному изгибу, прогибанию и сжатию материала. Все эти вариации могут приводить к новым формам поведения, но их трудно контролировать внутри и между устройствами.

Ленты могут помочь сгладить ситуацию. Новое исследование лаборатории показывает, что небольшое нажатие на кончик атомно-силового микроскопа позволяет согнуть графеновую ленту в устойчивую дугу, которую затем можно положить плашмя на второй, не изогнутый слой графена. В результате угол скручивания между двумя листами непрерывно изменяется от 0 до 5° по всей длине устройства, причем деформация распределяется равномерно — больше не нужно бороться со случайными пузырями или морщинами.

Нам больше не нужно делать 10 отдельных устройств с 10 различными углами наклона, чтобы посмотреть, что получится, — говорит постдок и соавтор работы Маэль Капфер (Maëlle Kapfer).

Кроме того, теперь мы можем контролировать деформацию, чего совершенно не было в предыдущих устройствах.

Команда использовала специальные микроскопы высокого разрешения, чтобы убедиться в том, насколько однородны их устройства. На основе этой пространственной информации они разработали механическую модель, которая предсказывает углы скручивания и значения деформации просто на основе формы изогнутой ленты.

Эта первая работа была посвящена описанию поведения и свойств лент графена, а также других материалов, которые могут быть истончены до отдельных слоев и уложены друг на друга. «Это работает со всеми двумерными материалами, которые мы пробовали до сих пор», — отметил Дин. В дальнейшем лаборатория планирует использовать новую методику для изучения того, как меняются фундаментальные свойства квантовых материалов в зависимости от угла закрутки и деформации. Например, предыдущие исследования показали, что два скрученных слоя графена ведут себя как сверхпроводник, когда угол скрутки составляет 1,1.

Однако существуют конкурирующие модели, объясняющие возникновение сверхпроводимости при этом так называемом «магическом угле», а также предсказания других магических углов, которые до сих пор было слишком трудно стабилизировать, сказал Дин. С помощью устройств, изготовленных с использованием лент, которые содержат все углы от 0° до 5°, команда может более точно исследовать происхождение этого и других явлений.

То, что мы делаем, похоже на квантовую алхимию: берем материал и превращаем его в нечто другое. Теперь у нас есть платформа для систематического изучения того, как это происходит, — заключает Джессен.

11.08.2023