Medición de la conductividad de TBG con diferentes ángulos de torsión. (A) Esquema de c-AFM para medir la conductividad vertical del grafeno bicapa en un sustrato de h-BN con diferentes ángulos de torsión. Se aplicó un sesgo constante entre la punta conductora y la película de grafeno inferior. GB, los límites de grano. (B) Imagen de corriente típica medida en grafeno bicapa que muestra dominios con diferentes ángulos de torsión (1,1 °, 3,0 °, y> 12 °) bajo una polarización de 10 mV. Barra de escala, 20 nm. (C) Perfiles de línea de corriente típicos medidos desde diferentes dominios con ángulos de torsión de 1.1 °, 3,0 °, y> 12 °, respectivamente. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abc5555
Los científicos de materiales pueden controlar el ángulo de torsión entre capas de los materiales para ofrecer un método poderoso para ajustar las propiedades electrónicas de los materiales bidimensionales (2-D) de van der Waals. En tales materiales, la conductividad eléctrica aumentará monótonamente (constantemente) con el ángulo de torsión decreciente debido al acoplamiento mejorado entre capas adyacentes. En un nuevo informe, Shuai Zhang y un equipo de científicos en materiales funcionales, Ingenieria, nanosistemas y tribología, en China, describieron una configuración para la conductividad vertical dependiente del ángulo no monótona a través de la interfaz de grafeno bicapa que contiene ángulos de torsión bajos. La conductividad vertical mejoró gradualmente con el ángulo de torsión decreciente, sin embargo, después de una mayor disminución del ángulo de giro, la conductividad del material se redujo notablemente. Los científicos revelaron el comportamiento anormal utilizando cálculos de la teoría funcional de la densidad (DFT) y microscopía de túnel de barrido (STM) y atribuyeron el resultado a la reducción inusual en la densidad de portadores promedio que se origina en las reconstrucciones atómicas locales. La reconstrucción atómica puede ocurrir debido a la interacción entre la energía de interacción de van der Waals y la energía elástica en la interfaz, conduciendo a estructuras intrigantes. El impacto de la reconstrucción atómica fue significativo en la conductividad vertical para ángulos bajos, materiales retorcidos 2-D van der Waals; aportando una nueva estrategia para diseñar y optimizar su funcionamiento electrónico.
Ajuste de las propiedades electrónicas de los materiales 2-D
Los científicos de materiales han demostrado métodos para variar el ángulo de torsión entre capas para proporcionar una estrategia eficaz para ajustar las propiedades electrónicas de las estructuras de van der Waals. Experimentos recientes han revelado cómo la conductividad entre capas de estructuras bidimensionales de van der Waals, como grafeno / grafeno o uniones de grafeno / grafito, disminuyó monótonamente con un ángulo de giro creciente. Los investigadores pueden explicar tal conductividad entre capas monótona dependiente del ángulo utilizando un mecanismo de transporte entre capas mediado por fonones. Aparte de la conductividad entre capas, la conductividad vertical se puede probar utilizando microscopía de fuerza atómica de conductancia (c-AFM), donde los resultados mostraron tendencias similares para diversos materiales 2-D con un gran sistema de torsión. Estudios recientes sobre grafeno bicapa retorcido de ángulo bajo (TBG) habían demostrado los efectos de las interacciones competitivas de van der Waals y la elasticidad en el plano que influyen en la reconstrucción local a escala atómica del grafeno. para revelar propiedades electrónicas no convencionales como la superconductividad, aislantes correlacionados y ferromagnetismo espontáneo. Por lo tanto, es científicamente intrigante investigar la conductividad vertical del grafeno bicapa retorcido (TBG) y comprender cómo evoluciona con el ángulo de torsión.
Dependencia de la conductividad vertical del ángulo de torsión. Se muestra la relación entre la corriente normalizada y el ángulo de torsión obtenido en TBG / h-BN. Los datos con el mismo color y forma de símbolo se obtuvieron simultáneamente de la misma imagen actual. El recuadro muestra la relación entre la corriente y el ángulo de torsión obtenido en grafeno retorcido sobre grafito, donde los valores actuales se normalizaron por el valor actual promedio del grafeno bicapa con un ángulo de torsión de 0 °. La barra de error representa la desviación estándar (SD) de la señal actual en cada imagen. a.u., unidades arbitrarias. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abc5555 
Durante los experimentos, Zhang y col. utilizó una escama gruesa de nitruro de boro hexagonal (h-BN) como sustrato y cultivó grafeno bicapa mediante deposición de vapor químico. En estas muestras, la capa inferior de grafeno formó una película policristalina continua, mientras que la capa superior de grafeno siguió siendo una isla de grafeno de cristal único. Esta estructura de muestra única les permitió investigar una gran cantidad de dominios de grafeno bicapa retorcidos con una amplia gama de ángulos de torsión. Durante las mediciones de AFM conductivo, el equipo aplicó un voltaje de polarización constante entre la sonda conductora y la película para monitorear continuamente la corriente en la configuración. Con el ángulo de giro decreciente, los científicos notaron una caída en la conductividad vertical del grafeno bicapa retorcido, una característica claramente diferente de la conductividad dependiente del ángulo monótona observada en investigaciones anteriores.
Explorando la dependencia anormal del ángulo de torsión en el grafeno bicapa retorcido (TBG)
Evolución de la conductividad y la estructura con ángulos de torsión. (A) Perfiles de corriente típicos medidos en TBG en dos dominios (un dominio con un ángulo de torsión de> 12 ° y el otro dominio con ángulos de torsión de 2.9 °, 1,5 °, 0,9 °, 0,8 °, y 0,6 °, respectivamente). (B y C) Imágenes de corriente típicas obtenidas de TBG con ángulos de giro de 2,9 ° y 0,6 °, respectivamente. Las regiones apiladas con AA están marcadas con círculos negros. Barra de escala, 10 nm. (D a F) Esquemas que muestran el apilamiento atómico en TBG con diferentes ángulos de torsión y las configuraciones atómicas para AA, AB, y apilamiento BA. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abc5555
Para explorar esta característica inusual, Zhang y col. realizó mediciones en más muestras de TBG. Cuando el ángulo de giro disminuyó de 120 grados a cinco grados, la conductividad de TBG aumentó gradualmente, coherente con informes anteriores. Cuando el ángulo de giro disminuyó por debajo de cinco grados, sin embargo, el equipo notó la inusual reducción de la conductividad. Para descartar la influencia del sustrato hexagonal de nitruro de boro, transfirieron el grafeno monocapa a la superficie del grafito con un ángulo de giro bajo controlable, y midió la conductividad vertical usando c-AFM (microscopía de fuerza atómica conductiva), para observar un resultado inusual similar. Luego, el equipo realizó mediciones de conductividad con una resolución más fina para examinar el origen de la disminución anormal de la conductividad. cuando los ángulos de giro estaban por debajo de cinco grados.
Para comprender la complejidad, caracterizaron las estructuras de escala muaré y submoaré con mayor resolución utilizando experimentos STM (microscopía de túnel de barrido) en muestras de grafeno bicapa retorcido con ángulos de torsión bajos (que van desde 0,6 grados, 1,1 grados a 3,3 grados). Las superredes de muaré son estructuras producidas a partir de capas bidimensionales apiladas con un ángulo de torsión y / o desajuste de celosía. Según las medidas STM, la densidad local de estados en la superficie del grafeno bicapa retorcido disminuyó cuando el ángulo de torsión se redujo de 3,3 grados a 0,6 grados. El grafeno bicapa es un semimetal que puede adoptar la denominada "estructura apilada AB" o la rara "estructura apilada AA", que se predice que serán muy diferentes entre sí. En este caso, la región con baja y alta conductividad en el grafeno bicapa retorcido correspondía aproximadamente a las regiones apiladas AB- / BA- y AA, respectivamente.
Caracterizaciones STM de estructuras de escala muaré y submoaré. (A) Tres imágenes típicas de altura en 3D medidas en TBG con ángulos de giro de 0,6 °, 1,1 °, y 3,3 °, respectivamente. (B) Cuatro perfiles de altura típicos medidos en TBG en dos regiones (una región con un ángulo de torsión de> 12 ° y la otra región con ángulos de torsión de 3.3 °, 2,3 °, 1,1 °, y 0,6 °, respectivamente). (C) Caracterización de alta resolución de la estructura de la escala sub-moiré medida en TBG con un ángulo de torsión de 1,1 °. Barra de escala, 2 nm. (D) Patrones de transformada de Fourier (paneles superiores), Imágenes de resolución atómica filtradas por Fourier (paneles intermedios), y el diagrama esquemático correspondiente de la estructura de apilamiento atómico (paneles inferiores) para AA-, AB-, y regiones apiladas BA, respectivamente. Barra de escala, 5 Å. Las mediciones de STM se llevaron a cabo en un modo de corriente constante con el mismo voltaje de polarización de 50 mV. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abc5555
Cálculos teóricos
Zhang y col. también realizó cálculos teóricos para comprender cómo la estructura de superrejilla muaré y la reconstrucción local condujeron a una conductividad vertical anormal. En todos los casos, las regiones apiladas con AA mostraron una mejor conductividad en comparación con las regiones apiladas con AB. El equipo cuantificó la variación de conductividad con los ángulos de torsión, a través de simulaciones, para reproducir las observaciones experimentales. Los científicos también estudiaron la conductividad entre capas de grafeno-grafeno para comprender el origen del comportamiento de cruce. Usando cálculos de DFT (teoría funcional de densidad), encontraron la presencia de regiones apiladas con AA para mejorar la densidad de portadores locales, este fenómeno surgió debido a una mayor acomodación de portadores locales en la región apilada con AA en la estructura de superrejilla muaré.
Evoluciones de conductividad, densidad de portadores, y configuraciones atómicas de TBG con ángulo de torsión. (A) Esquema que muestra el modelo de simulación de c-AFM. (B) Mapas de conductividad local simulados de TBG con ángulos de torsión de 0 °, 3,5 °, 4,7 °, 5,5 °, y 11 °, respectivamente. (C y D) Conductividad media de la unión punta / TBG (C), Conductividad entre capas de TBG, y densidad portadora promedio del grafeno de la capa superior (D) calculada para diferentes ángulos de torsión. (E) Fracción de área normalizada de la región apilada con AA en superrejilla muaré (rAA / a) 2 calculada utilizando estructuras de apilamiento atómicas rígidas y relajadas. El recuadro muestra los desplazamientos atómicos en el plano después de la relajación para TBG con un ángulo de torsión de 3,5 °. Las líneas discontinuas están dibujadas esquemáticamente para resaltar la tendencia. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abc5555
panorama
De este modo, La propiedad de transporte vertical del grafeno bicapa retorcido (TBG) podría estar determinada por dos factores:incluida la densidad del portador de superficie y la barrera de túnel entre capas. La alta densidad de portadores y la baja barrera de túnel eran esenciales para una alta conductividad. Shuai Zhang y sus colegas utilizaron TBG como ejemplo y encontraron que la conductividad vertical de las heteroestructuras de van der Waals exhibía una dependencia no monotónica del ángulo de torsión. Cuando el ángulo de giro alcanzó un umbral por debajo de 5 grados, la conductividad vertical disminuyó anormalmente debido a una caída notable en la densidad del portador. Los hallazgos enfatizaron la influencia de la reconstrucción atómica en la conductividad vertical en interfaces 2-D. El trabajo ofrece una guía para optimizar el rendimiento eléctrico del grafeno bicapa retorcido y otras estructuras de van der Waals 2-D en el campo de la optoelectrónica.
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