Kareler yerine grafen şeritleri, iki boyutlu (2D) malzemelerin bitişik katmanlarının bükülmesi ve gerilmesinden kaynaklanan olağandışı elektronik etkileri araştırmak için daha iyi bir platform oluşturabilir. Bu, ABD, Danimarka, Fransa ve Japonya'daki bilim adamlarının yaklaşımı, iki malzeme parçasını birbirine göre bükmeye ve daha sonra bunları istiflemeye odaklanan önceki "twistronics" çalışmalarından önemli ölçüde farklı olan bir bulgudur. Ekibe göre yeni şerit tabanlı teknik, araştırmacılara bükülme açısı üzerinde daha iyi kontrol sağlayarak elektronik efektlerin incelenmesini kolaylaştırabilir.
Son yıllarda araştırmacılar, 2 boyutlu malzemelerin elektronik özelliklerini, bu malzemelerin katmanlarını üst üste istifleyerek ve aralarındaki açıyı değiştirerek değiştirebileceklerini keşfettiler. Örneğin, çift katmanlı bir grafen normalde bir bant aralığına sahip değildir, ancak başka bir 2 boyutlu malzeme olan altıgen bor nitrür (hBN) ile temas ettirildiğinde bir bant aralığı geliştirir.
Bu değişiklik, hBN'nin kafes sabitinin (atomlarının nasıl düzenlendiğinin bir ölçüsü) grafeninkiyle hemen hemen aynı olması, ancak tam olarak aynı olmaması nedeniyle meydana gelir. Biraz uyumsuz olan grafen ve hBN katmanları, hareli üst kafes olarak bilinen daha büyük bir yapı oluşturur ve bu üst kafesteki yakındaki atomlar arasındaki etkileşimler, bir bant aralığının oluşmasına izin verir. Daha sonra katmanlar daha fazla yanlış hizalanacak şekilde bükülürse ve aralarındaki açı genişlerse bant aralığı kaybolur. Benzer şekilde, grafen kendi başına yarı metalikten yarı iletkene ve hatta bireysel grafen katmanları arasındaki açıya bağlı olarak süper iletkene kadar ayarlanabilir.
Geleneksel malzemelerde bu çeşitli elektronik özellikleri elde etmek için bilim adamlarının normalde katkı maddeleri veya kasıtlı safsızlıklar ekleyerek kimyasal bileşimlerini değiştirmeleri gerekir. Bunu 2 boyutlu bir malzemede basitçe katmanlar arasındaki bükülme açısını değiştirerek yapabilmek, bu nedenle cihaz mühendisliğinde temelde yeni bir yöndür ve "twistronics" olarak adlandırılmıştır.
Sorun, bükülme açılarının ve ilgili gerilimin kontrol edilmesinin zor olmasıdır, bu da bir numunenin farklı alanlarının rahatsız edici derecede farklı elektronik özelliklere sahip olabileceği anlamına gelir. Son çalışmada, liderliğindeki bir ekip Cory Dean of Columbia Üniversitesi ABD'de bir hBN katmanının üzerine şerit şeklinde bir grafen katmanı (genellikle olduğu gibi kare bir pul yerine) yerleştirerek ve bir piezo-atomik kuvvet mikroskobu kullanarak şeridin bir ucunu yavaşça bükerek bu sorunun üstesinden geldi. Ortaya çıkan yapı, şeridin bükülmeye başladığı noktadan sonuna kadar sürekli olarak değişen bir bükülme açısına sahiptir. Ve gerinimdeki kontrolsüz değişiklikler yerine, numune artık bükülmüş şeridin sınır şekliyle tamamen tahmin edilebilecek tek tip bir gerinim profiline sahip.
Açı ve gerinim gradyanlarının korunması
Ayrıntılı olarak yaptıkları deneylerde BilimDean ve meslektaşları, grafen katmanlarından birini yarım daire kemerine benzeyen bir şekil verecek şekilde büktüler. Daha sonra bu katmanı ikinci, bükülmemiş katmanın üzerine yerleştirdiler. Dean şöyle açıklıyor: "Bu şekilde bir araya getirildiğinde, kasıtlı olarak yay boyunca bir açı gradyanı ve yay boyunca bir gerinim gradyanı sunuyoruz." "Yerel bükülme açısı veya gerinimdeki rastgele dalgalanmalara izin vermek yerine, birleştirilmiş iki katmanın bükme işlemi sırasında verdiğimiz açı ve gerinim gradyanlarını koruduğunu bulduk."
Ancak grafen şeridi bükmek kolay değil. Araştırmacılar bunu öncelikle atomik kuvvet mikroskobu (AFM) tabanlı bir işlem kullanarak daha büyük bir grafen parçasından bir şerit keserek başardılar. Daha sonra, dış kenarında kulplar bulunan yuvarlak bir diskten oluşan çok katmanlı, toplu bir grafit parçasından ayrı bir "kaydırıcı" ürettiler. Bu kaydırıcı daha sonra şeridin bir ucuna yerleştirildi ve bir AFM ucunun ucu kullanılarak şerit boyunca itildi. Dean şöyle açıklıyor: "Kaydırıcı, AFM ucuyla kontrol edilebilir ve şerit bükülerek şekillendirildikten sonra çıkarılabilir."
Bu sürecin önemli bir özelliği, grafen şeridin arayüzey sürtünmesinin hBN üzerine yerleştirildiğinde nispeten düşük olması, yani yük altında bükülebilmesi, ancak yük bırakıldığında şeridin bükülmüş şeklini korumasına izin verecek kadar yüksek olmasıdır.
Şeridin bükülme derecesi, şeridin uzunluğuna ve genişliğine ve AFM ucunun ucuna ne kadar kuvvet uygulandığına bağlıdır. Araştırmacılar uzun, dar şeritlerin (yani geniş en boy oranına sahip şeritlerin) kontrollü bir şekilde bükülmesi en kolay şeritler olduğunu buldu.
“Bükümlü açılı faz diyagramına benzeri görülmemiş erişim”
Dean, hem gerinim hem de bükülme açısını sürekli olarak ayarlayabilmenin, araştırmacılara bükülmüş açıların "faz diyagramına" benzeri görülmemiş bir erişim sağlayacağını söylüyor Fizik dünyası. “Bükümlü çift tabakanın elektronik bant yapısı, büküm açısına son derece duyarlıdır; örneğin 'sihirli açı', 1.1 derecenin yalnızca onda biri ile tanımlanır. Yavaş ve kontrol edilebilir büküm, bu bağımlılığı tek bir cihazda daha önce mümkün olmayan bir hassasiyetle eşleştirebileceğimiz anlamına geliyor."
Grafen nanoribbonları kararlı hale getirmek
Hepsi bu kadar da değil: Sihirli açılı çift katmanlı grafen sistemleri üzerindeki gerilimin rolü deneysel olarak neredeyse tamamen bilinmediğinden, yeni teknik bunu tekrarlanabilir bir şekilde ölçmek için ilk fırsatı sunuyor. Dean, "Teknik olarak, bir gerinim gradyanı eklemenin rastgele bükülme açısı değişikliklerini bastırmaya yardımcı olabileceği fikri bizim için beklenmedik bir sürprizdi" diyor. "Bu, bükümlü katman sistemlerinde elektronik bant yapısı üzerinde daha fazla kontrol elde etmek için gerinim mühendisliğinin ve uzaysal olarak kontrol edilen açı değişimlerinin nasıl etkileşimde bulunacağı konusunda ilginç fikirlerin önünü açıyor."
Columbia ekibi şimdi taşıma ve tarama probu spektroskopisinin bir kombinasyonunu kullanarak bükülmüş çift katmanlı grafendeki sihirli açı aralığı etrafındaki gerinim açısı faz diyagramını haritalandırıyor. Araştırmacılar aynı zamanda tekniği diğer 2 boyutlu malzeme sistemlerine de uygulayıp uygulayamayacaklarını araştırıyorlar. Örneğin yarı iletkenlerde bükülme, eksitonları (elektron-delik çiftleri) yönlendirebilir ve huni haline getirebilirken, manyetik 2D sistemlerde alışılmadık manyetik dokular oluşturmak için kullanılabilir. Dean, "Son olarak, elektrostatik veya diğer mekanik olmayan yöntemlerle bükme sağlamanın yollarını araştırıyoruz" diye açıklıyor. "Bunlar, iki katmanlı sistemlerde büküm açısının yerinde dinamik kontrolüne izin verebilir."
- SEO Destekli İçerik ve Halkla İlişkiler Dağıtımı. Bugün Gücünüzü Artırın.
- PlatoData.Network Dikey Üretken Yapay Zeka. Kendine güç ver. Buradan Erişin.
- PlatoAiStream. Web3 Zekası. Bilgi Genişletildi. Buradan Erişin.
- PlatoESG. karbon, temiz teknoloji, Enerji, Çevre, Güneş, Atık Yönetimi. Buradan Erişin.
- PlatoSağlık. Biyoteknoloji ve Klinik Araştırmalar Zekası. Buradan Erişin.
- Blok Ofsetleri. Çevre Dengeleme Sahipliğini Modernleştirme. Buradan Erişin.
- Kaynak: https://physicsworld.com/a/graphene-ribbons-advance-twistronics/
