Un grupo de investigadores internacionales de la Universidad de Manchester ha revelado un método novedoso que podría ajustar el ángulo ("girar") entre capas delgadas como átomos que forman nanodispositivos exóticos artificiales llamados heteroestructuras de van der Waals, y ayudar a acelerar la próxima generación de productos electrónicos. .

La nueva técnica puede lograr la rotación dinámica in situ y la manipulación de materiales 2-D superpuestos entre sí para formar heteroestructuras de van der Waals:dispositivos a nanoescala que cuentan con propiedades inusuales y nuevos fenómenos emocionantes. explicó el líder del equipo, el profesor Mishchenko.

El ajuste del ángulo de torsión controla la topología y las interacciones de electrones en materiales 2-D, y dicho proceso, referido como 'twistronics', es un tema de investigación creciente en física en los últimos años. El nuevo estudio dirigido por Manchester se publicará en Avances de la ciencia hoy dia.

"Nuestra técnica permite heteroestructuras retorcidas de van der Waals con ópticas sintonizables dinámicamente, mecánico, y propiedades electrónicas ", explicó Yaping Yang, el autor principal de este trabajo.

Yaping Yang agregó:"Esta técnica, por ejemplo, podría usarse en la manipulación robótica autónoma de cristales bidimensionales para construir superredes de van der Waals, lo que permitiría un posicionamiento preciso, rotación, y manipulación de materiales 2-D para fabricar materiales con los ángulos de torsión deseados, para afinar las propiedades electrónicas y cuánticas de los materiales de van der Waals ".

La torsión de capas de cristales 2-D entre sí da como resultado la formación de un patrón muaré, donde las celosías de los cristales 2-D parentales forman una superrejilla. Esta superrejilla puede cambiar completamente el comportamiento de los electrones en el sistema, conduciendo a la observación de muchos fenómenos novedosos, incluyendo fuertes correlaciones de electrones, efecto Hall cuántico fractal, y superconductividad.

El equipo demostró esta técnica fabricando con éxito heteroestructuras donde el grafeno está perfectamente alineado con las capas de encapsulación superior e inferior de nitruro de boro hexagonal, denominado "grafeno blanco", creando superredes de doble muaré en las dos interfaces.

Como se publicó en Avances de la ciencia , la técnica está mediada por un parche de polímero resistente en los cristales 2-D objetivo y un manipulador de gel de polímero, que puede controlar de forma precisa y dinámica la rotación y el posicionamiento de materiales 2-D.

"Nuestra técnica tiene el potencial de incorporar twistronics dentro de los sistemas de medición criogénica, por ejemplo, mediante el uso de micromanipuladores o dispositivos microelectromecánicos ", añadió Artem Mishchenko.

Los investigadores utilizaron un portaobjetos de vidrio con una gota de polidimetilsiloxano (PDMS) como manipulador, que se cura y se forma naturalmente en una geometría de hemisferio. Mientras tanto, depositaron intencionalmente un parche epitaxial de polimetilmetacrilato (PMMA) sobre un cristal 2-D objetivo a través de una litografía estándar por haz de electrones.

Los pasos para manipular las escamas objetivo en una heteroestructura son fáciles de seguir. Al bajar el mango de gel de polímero, El hemisferio de PDMS se pone en contacto con el parche de PMMA. Cuando se tocan uno puede mover o rotar fácilmente los cristales 2-D objetivo en la superficie del copo del fondo. Un movimiento tan suave de las escamas 2-D se basa en la superlubricidad entre las dos estructuras cristalinas.

La superlubricidad es un fenómeno en el que la fricción entre superficies atómicamente planas desaparece según determinadas condiciones.

La técnica de manipulación permite un ajuste continuo del ángulo de torsión entre las capas incluso después del ensamblaje de la heteroestructura. Se puede diseñar el parche epitaxial de PMMA en una forma arbitraria a pedido, normalmente tomando la geometría que se ajusta al copo de destino. La técnica de manipulación es conveniente y reproducible, ya que el parche de PMMA se puede lavar fácilmente con acetona y volver a modelar mediante litografía.

Normalmente, para un hemisferio PDMS cuidadosamente fabricado, el área de contacto entre el hemisferio y un cristal 2-D depende del radio del hemisferio y es muy sensible a la fuerza de contacto, lo que dificulta el control preciso del movimiento del cristal 2-D objetivo.

"El parche epitaxial de PMMA juega un papel crucial en la técnica de manipulación. Nuestro truco radica en que el área de contacto del manipulador de gel de polímero se limita precisamente a la forma estampada de la capa de polímero epitaxial. Esta es la clave para lograr un control preciso de la manipulación, permitiendo que se aplique una fuerza de control mucho mayor ", dijo Jidong Li, uno de los coautores.

En comparación con otras técnicas de manipulación de materiales 2-D, como el uso de puntas de microscopio de fuerza atómica (AFM) para empujar un cristal con una geometría fabricada específicamente, la técnica twistronics in situ no es destructiva y puede manipular las escamas independientemente de su grosor, mientras que una punta AFM funciona mejor solo para copos gruesos y puede destruir los delgados.

La alineación perfecta del grafeno y el nitruro de boro hexagonal demuestra el potencial de la técnica en las aplicaciones twistronics.

Utilizando la técnica in situ, los investigadores rotaron con éxito capas 2-D en una heteroestructura de nitruro de boro / grafeno / nitruro de boro para lograr una alineación perfecta entre todas las capas. Los resultados demuestran la formación de superredes de doble muaré en las dos interfaces de la heteroestructura. Además, los investigadores observaron la firma del muaréacute de segundo orden (compuesto); patrón generado por el doble muaréacute; superredes.

Esta heteroestructura con grafeno y nitruro de boro perfectamente alineados demuestra el potencial de la técnica de manipulación en twistronics.

"La técnica se puede generalizar fácilmente a otros sistemas de materiales 2-D y permite la manipulación reversible en cualquier sistema 2-D fuera del régimen correspondiente", dijo Yaping Yang, quien llevó a cabo el trabajo experimental.

El profesor Mishchenko agregó:"Creemos que nuestra técnica abrirá una nueva estrategia en la ingeniería de dispositivos y encontrará sus aplicaciones en la investigación de cuasicristales 2-D". bandas planas de ángulo mágico, y otros sistemas topológicamente no triviales ".