정사각형이 아닌 그래핀 리본은 2차원(XNUMXD) 재료의 인접한 층을 비틀고 변형시키는 데서 발생하는 특이한 전자 효과를 조사하기 위한 더 나은 플랫폼을 만들 수 있습니다. 이는 미국, 덴마크, 프랑스, 일본의 과학자들이 발견한 것으로, 이들의 접근 방식은 두 개의 재료 조각을 서로 비틀어 쌓는 데 초점을 맞춘 이전의 "트위스트로닉스" 연구와 크게 다릅니다. 팀에 따르면, 새로운 리본 기반 기술을 통해 연구원들은 비틀림 각도를 더 잘 제어할 수 있어 전자 효과를 더 쉽게 연구할 수 있습니다.
최근 몇 년 동안 연구자들은 이러한 재료의 층을 서로 쌓고 그 사이의 각도를 변경함으로써 2D 재료의 전자 특성을 변경할 수 있음을 발견했습니다. 예를 들어, 그래핀 이중층은 일반적으로 밴드 갭을 갖지 않지만 다른 2D 재료인 육방정계 질화붕소(hBN)와 접촉하면 밴드 갭이 발생합니다.
이러한 변화는 hBN의 격자 상수(원자가 배열되는 방식을 나타내는 척도)가 그래핀의 격자 상수와 거의 동일하기 때문에 발생합니다. 그래핀과 hBN의 약간 불일치한 층은 모아레 초격자로 알려진 더 큰 구조를 형성하며, 이 초격자에서 근처 원자 사이의 상호 작용으로 인해 밴드 갭이 형성됩니다. 그런 다음 층을 비틀어 더 어긋나게 정렬하고 층 사이의 각도가 커지면 밴드 갭이 사라집니다. 마찬가지로, 그래핀 자체는 개별 그래핀 층 사이의 각도에 따라 반금속에서 반도체, 심지어 초전도체로 조정될 수 있습니다.
기존 재료에서 이러한 다양한 전자 특성을 얻으려면 과학자들은 일반적으로 도펀트나 고의적인 불순물을 도입하여 화학적 구성을 변경해야 합니다. 따라서 단순히 레이어 사이의 비틀림 각도를 변경하여 2D 재료에서 이를 수행할 수 있는 것은 장치 엔지니어링의 근본적으로 새로운 방향이며 "트위스트로닉스(twistonics)"라고 불립니다.
문제는 비틀림 각도와 관련 변형률을 제어하기 어렵다는 것입니다. 즉, 샘플의 서로 다른 영역이 불편할 정도로 서로 다른 전자 특성을 가질 수 있다는 의미입니다. 최근 작업에서는 다음과 같은 팀이 주도했습니다. 코리 딘 of Columbia University 미국에서는 hBN 층 위에 리본 모양의 그래핀 층(보통의 경우 사각형 플레이크가 아님)을 배치하고 압전 원자 힘 현미경을 사용하여 리본의 한쪽 끝을 천천히 구부림으로써 이 문제를 극복했습니다. 결과 구조는 리본이 구부러지기 시작하는 지점부터 끝까지 연속적으로 변하는 비틀림 각도를 갖습니다. 그리고 통제할 수 없는 변형률 변화 대신 샘플은 이제 구부러진 리본의 경계 모양으로 완전히 예측할 수 있는 균일한 변형률 프로파일을 갖습니다.
각도 및 변형률 기울기 유지
그들의 실험에서는 과학, Dean과 동료들은 그래핀 층 중 하나를 반원형 아치와 유사한 모양으로 구부렸습니다. 그런 다음 이 레이어를 구부러지지 않은 두 번째 레이어 위에 배치했습니다. “이러한 방식으로 함께 배치하면 의도적으로 호를 따라 각도 구배를 도입하고 호를 가로질러 변형 구배를 도입합니다.”라고 Dean은 설명합니다. "우리는 국부적인 비틀림 각도 또는 변형률의 무작위 변동을 허용하는 대신 결합된 두 레이어가 굽힘 과정에서 전달하는 각도 및 변형률 구배를 유지한다는 사실을 발견했습니다."
그러나 그래핀 리본을 구부리는 것은 쉽지 않다. 연구진은 먼저 원자현미경(AFM) 기반 프로세스를 사용하여 더 큰 그래핀 조각에서 리본을 절단하여 이를 관리했습니다. 다음으로 그들은 외부 테두리에 손잡이가 달린 둥근 디스크로 구성된 다층의 벌크 흑연 조각으로 별도의 "슬라이더"를 제작했습니다. 그런 다음 이 슬라이더를 리본의 한쪽 끝에 배치하고 AFM 팁의 끝을 사용하여 리본을 가로질러 밀어냈습니다. "슬라이더는 AFM 팁으로 제어할 수 있으며 리본을 모양으로 구부린 후 제거할 수 있습니다."라고 Dean은 설명합니다.
이 공정의 주요 특징은 그래핀 리본의 계면 마찰이 hBN 위에 놓일 때 상대적으로 낮다는 것입니다. 즉, 하중이 가해지면 구부러질 수 있지만 하중이 풀려도 리본이 구부러진 모양을 유지할 수 있을 만큼 충분히 높습니다.
리본이 구부러지는 정도는 리본의 길이와 너비, 그리고 AFM 팁이 리본 끝에 가하는 힘의 양에 따라 달라집니다. 연구원들은 길고 좁은 리본(즉, 종횡비가 큰 리본)이 제어된 방식으로 구부리기 가장 쉽다는 것을 발견했습니다.
“트위스트 앵글 위상 다이어그램에 대한 전례 없는 접근”
변형률과 비틀림 각도를 모두 지속적으로 조정할 수 있으면 연구원들은 비틀린 각도의 "단계 다이어그램"에 전례 없는 접근 권한을 갖게 될 것이라고 Dean은 말합니다. 물리 세계. “꼬인 이중층의 전자 밴드 구조는 비틀림 각도에 매우 민감합니다. 예를 들어 '마법의 각도'는 1.1/XNUMX도인 XNUMX°로 정의됩니다. 느리고 제어 가능한 비틀림은 단일 장치에서 이러한 의존성을 이전에는 불가능했던 정밀도로 매핑할 수 있음을 의미합니다.”
그래핀 나노리본을 안정적으로 만들기
그리고 그것이 전부는 아닙니다. 매직 앵글 이중층 그래핀 시스템에 대한 변형의 역할은 실험적으로 거의 완전히 알려지지 않았기 때문에 새로운 기술은 재현 가능한 방식으로 이를 측정할 수 있는 첫 번째 기회를 제공합니다. "기술적으로 변형률 구배를 도입하면 무작위 비틀림 각도 변화를 억제하는 데 도움이 될 수 있다는 생각은 우리에게 예상치 못한 놀라움이었습니다."라고 Dean은 말합니다. "이것은 트위스트 레이어 시스템의 전자 밴드 구조에 대한 추가 제어를 얻기 위해 변형 엔지니어링과 공간적으로 제어되는 각도 변화를 상호 작용하는 방법에 대한 흥미로운 아이디어를 열어줍니다."
컬럼비아 팀은 현재 전송 및 스캔 프로브 분광학의 조합을 사용하여 비틀린 이중층 그래핀의 마법 각도 범위 주변의 변형각 위상 다이어그램을 매핑하고 있습니다. 연구원들은 또한 이 기술을 다른 2D 재료 시스템에 적용할 수 있는지 여부도 조사하고 있습니다. 예를 들어, 반도체에서 굽힘은 엑시톤(전자-정공 쌍)을 유도하고 깔때기할 수 있는 반면, 자기 2D 시스템에서는 특이한 자기 텍스처를 생성하는 데 사용될 수 있습니다. “마지막으로 우리는 정전기 또는 기타 비기계적 수단을 통해 굽힘을 달성하는 방법을 모색하고 있습니다.”라고 Dean은 밝혔습니다. "이는 이중층 시스템의 비틀림 각도를 현장에서 동적 제어할 수 있습니다."
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- 출처: https://physicsworld.com/a/graphene-ribbons-advance-twistronics/
