Los materiales bidimensionales (2-D) como el grafeno tienen componentes electrónicos únicos, magnético, óptico, y propiedades mecánicas que prometen impulsar la innovación en áreas desde la electrónica hasta la energía, pasando por los materiales y la medicina. Los investigadores de la Universidad de Columbia informan de un avance importante que puede revolucionar el campo, un dispositivo "twistronic" cuyas características se pueden variar simplemente variando el ángulo entre dos capas 2-D diferentes colocadas una encima de la otra.

En un artículo publicado en línea hoy en Ciencias , el equipo demuestra una estructura de dispositivo novedosa que no solo les brinda un control sin precedentes sobre la orientación angular en dispositivos de capa trenzada, pero también les permite variar este ángulo in situ, de modo que los efectos del ángulo de giro en la electrónica, óptico, y las propiedades mecánicas se pueden estudiar en un solo dispositivo.

Dirigido por Cory Dean (física, Universidad de Columbia) y James Hone (ingeniería mecánica, Ingeniería de Columbia), el equipo se basó en técnicas en las que previamente fueron pioneros para colocar capas mecánicas de grafeno y otros materiales 2-D, uno encima del otro, para formar nuevas estructuras. "Este proceso de ensamblaje mecánico nos permite mezclar y combinar diferentes cristales para construir materiales completamente nuevos, a menudo con propiedades fundamentalmente diferentes de las capas constituyentes, "dice Hone, líder del Centro de Ciencia e Ingeniería de Investigación de Materiales de Columbia (MRSEC), que investiga las propiedades de estas heteroestructuras. "Con cientos de materiales 2D disponibles, las posibilidades de diseño son enormes ".

Estudios recientes han demostrado que la alineación rotacional entre las capas juega un papel de importancia crítica en la determinación de las nuevas propiedades que surgen cuando se combinan materiales. Por ejemplo, cuando el grafeno conductor se coloca encima del nitruro de boro aislante con las celosías cristalinas perfectamente alineadas, el grafeno desarrolla una banda prohibida. En ángulos distintos de cero, la banda prohibida desaparece y se recuperan las propiedades intrínsecas del grafeno. Solo en marzo pasado Los investigadores del MIT informaron del descubrimiento innovador de que dos capas apiladas de grafeno pueden exhibir propiedades exóticas, incluida la superconductividad, cuando el ángulo de torsión entre ellas se establece en 1,1 grados. conocido como el "ángulo mágico".

En enfoques anteriores para fabricar estructuras con capas rotacionalmente desalineadas, el ángulo se estableció durante el proceso de montaje. Esto significaba que una vez que se fabricó el dispositivo, sus propiedades fueron arregladas. "Este enfoque nos resultaba frustrante, Dado que errores muy pequeños en la alineación podrían dar resultados completamente diferentes, ", dice Dean." Sería genial hacer un dispositivo en el que pudiéramos estudiar sus propiedades mientras giramos continuamente sus capas, así que la pregunta era:¿como hacer esto?"

La respuesta, los investigadores de Columbia se dieron cuenta, era aprovechar la baja fricción que existe en la interfaz entre las capas, que se mantienen unidas por fuerzas de van der Waals que son mucho más débiles que los enlaces atómicos dentro de cada capa. Esta baja fricción, que hace que los materiales 2-D sean muy buenos como lubricantes sólidos, hace que el ensamblaje controlado en el ángulo deseado sea muy difícil. El grupo de Columbia utilizó la característica de baja fricción para su ventaja al diseñar una estructura de dispositivo en la que, en lugar de evitar la rotación, podrían variar de forma intencionada y controlable el ángulo de rotación.

El equipo utilizó heteroestructuras de grafeno / nitruro de boro para demostrar el alcance de su técnica. En estas estructuras, cuando las capas no están alineadas cristalográficamente, los materiales conservan sus propiedades originales (por ejemplo, grafeno tendrá un carácter semimetálico) pero cuando las capas están alineadas, las propiedades del grafeno cambian, abriendo una brecha energética y comportándose como un semiconductor. Los investigadores demostraron que este ajuste fino de las propiedades de la heteroestructura afecta su óptica, mecánico, y respuestas electrónicas.

"Notablemente, Demostramos que la brecha de energía observada en el grafeno es ajustable y puede activarse o desactivarse a pedido simplemente cambiando la orientación entre las capas. "dice Rebeca Ribeiro, quien dirigió este trabajo como investigador postdoctoral en Columbia y ahora es científico investigador del CNRS en el Centro Francés de Nanociencia y Nanotecnología (C2N-CNRS). "El ajuste de esta brecha energética no solo representa un gran paso hacia el uso futuro del grafeno en diversas aplicaciones, pero también proporciona una demostración general en la que las propiedades del dispositivo de los materiales 2-D varían drásticamente con la rotación "

Desde un punto de vista tecnológico, la capacidad de ajustar las propiedades de un material en capas variando el ángulo de torsión brinda la posibilidad de que una sola plataforma de material realice una variedad de funciones. Por ejemplo, Los circuitos electrónicos se construyen a partir de un número finito de componentes, incluidos conductores metálicos, aisladores, semiconductores, y materiales magnéticos. Este proceso requiere la integración de una variedad de materiales diferentes y puede representar un desafío de ingeniería significativo. A diferencia de, un solo material que pueda ser "retorcido" localmente para realizar cada uno de estos componentes podría generar nuevas oportunidades de ingeniería significativas.

Además, la capacidad de sintonizar dinámicamente un sistema con torsión mecánica ofrece una nueva capacidad de conmutación que podría permitir aplicaciones de dispositivos completamente nuevas. Por ejemplo, Los interruptores tradicionales suelen variar entre dos estados bien definidos (encendido o apagado, magnético o no, etc.). La plataforma Columbia podría permitir la posibilidad de cambiar entre un número arbitrario de estados complementarios.

Dean y Hone ahora están usando su nueva técnica para estudiar otras combinaciones de materiales 2-D en las que las propiedades se pueden ajustar mediante alineación angular. Están analizando particularmente el reciente descubrimiento de la superconductividad en el grafeno bicapa retorcido y explorando si puede ser una característica general de las bicapas retorcidas hechas de materiales bidimensionales arbitrarios.

Dean agrega, "Nuestro estudio demuestra un nuevo grado de libertad, a saber, orientación de rotación entre capas, eso simplemente no existe en heteroestructuras de semiconductores convencionales. Esta es una rara ocasión en el campo de los semiconductores donde realmente estamos forjando un nuevo camino, y abre la puerta a un campo de investigación completamente nuevo en el que las propiedades de los materiales se pueden variar simplemente torciendo la estructura ".

El estudio se titula "Electrónica Twistable con heteroestructuras rotativas dinámicamente".