Forschung -

'Verdrehte' Elektronik ermöglicht abstimmbare 2-D Materialien

Zweidimensionale (2-D) Materialien wie Graphen haben einzigartige elektronische, magnetische, optische und mechanische Eigenschaften, die Innovationen in Bereichen wie Elektronik, Energie, Materialien und Medizin vorantreiben können.

Forscher der Columbia University berichten nunmehr von einem großen Fortschritt, einem "Twistronic"-Element, dessen Eigenschaften sich durch einfache Winkelvariationen zwischen zwei übereinander liegenden 2-D Schichten verändern lassen.

In einem Beitrag in "Science" ('Twistable electronics with dynamically rotatable heterostructures') beschreibt das Team eine neuartige Elementestruktur, die ihnen nicht nur eine beispiellose Kontrolle über die Winkelausrichtung bei Elementen mit verdrehten Schichten ermöglicht, sondern es ihnen auch erlaubt, diesen Winkel in situ zu variieren, sodass sich die Auswirkungen des Verdrehungswinkels auf elektronische, optische und mechanische Eigenschaften in einem einzigen Element untersuchen lassen.

Unter der Leitung von Cory Dean (Physik, Columbia University) und James Hone (Maschinenbau, Columbia Engineering) baute das Team auf Techniken auf, mit denen es zuvor Pionierarbeit leistete, um Graphen und andere 2-D Materialien mechanisch übereinander zu schichten und damit neue Strukturen zu bilden.

"Mit diesem mechanischen Montageprozess können wir verschiedene Kristalle mischen und aufeinander abstimmen, um völlig neue Materialien zu konstruieren, deren Eigenschaften sich oft grundlegend von denen der einzelnen Schichten unterscheiden", sagte Hone, Leiter des 'Materials Research Science and Engineering Center' (MRSEC) von Columbia, das die Eigenschaften dieser Heterostrukturen untersuchte. "Mit Hunderten von 2-D Materialien sind die Gestaltungsmöglichkeiten enorm."

Neuere Studien haben gezeigt, dass die Rotationsausrichtung zwischen den Schichten eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der neuen Eigenschaften spielt, die durch die Materialkombinationen entstehen.

Wird beispielsweise Graphen auf isolierendes Bornitrid gelegt und die Kristallgitter perfekt ausgerichtet, entsteht im Graphen eine Bandlücke. Bei Winkeln ungleich Null verschwindet die Bandlücke und die intrinsischen Grapheneigenschaften werden wieder hergestellt.

Erst kürzlich berichteten Forscher am MIT über die bahnbrechende Entdeckung, dass zwei gestapelte Graphenschichten exotische Eigenschaften wie Supraleitung aufweisen können, sofern der Verdrehwinkel zwischen ihnen auf 1,1 Grad eingestellt ist, was als "magischer Winkel" bezeichnet wird.

Bei bisherigen Versuchen zur Herstellung von Strukturen mit rotierend versetzten Schichten wurde der Winkel während des Montageprozesses eingestellt. Dies bedeutete, dass die Eigenschaften des Elementes nach seiner Herstellung festgelegt waren.

"Wir fanden diesen Ansatz frustrierend, da sehr kleine Fehler in der Ausrichtung zu völlig anderen Ergebnissen führen können", sagte Dean. "Es wäre toll, ein Element zu fertigen, in dem wir dessen Eigenschaften studieren könnten, während wir seine Schichten ständig drehen. Und so war die Frage, wie das zu machen ist?"

Die Antwort, erkannten die Columbia-Forscher, bestand darin, die geringe Reibung an der Grenzfläche zwischen den Schichten zu nutzen, die von van der Waals-Kräften zusammengehalten werden. Sie sind viel schwächer als die atomaren Bindungen innerhalb jeder Schicht.

Diese geringe Reibung, die 2-D Materialien als Festschmierstoffe prädestiniert, erschwert die gesteuerte Montage in einem gewünschten Winkel. Die Columbia-Gruppe nutzte die niedrige Reibungscharakteristik zu ihrem Vorteil, indem sie eine Elementestruktur entwarf, in der sie die Drehung nicht verhinderten, sondern gezielt und kontrollierbar variieren konnten.

Das Team verwendete Graphen/Bornitrid-Heterostrukturen, um die Reichweite ihrer Technik zu demonstrieren. Wenn in diesen Strukturen die Schichten nicht kristallografisch ausgerichtet sind, behalten die Materialien ihre ursprünglichen Eigenschaften (Graphen hat zum Beispiel eine halbmetallische Eigenschaft) bei.

Aber wenn die Schichten ausgerichtet sind, ändern sich die Eigenschaften des Graphen. Es öffnet sich eine Energielücke und das Graphen verhält sich wie ein Halbleiter. Die Forscher zeigten, dass diese Feinabstimmung der Eigenschaften der Heterostruktur ihre optischen, mechanischen und elektronischen Reaktionen beeinflusst.

"Wir haben vor allem gezeigt, dass die in Graphen beobachtete Energielücke abstimmbar ist und bei Bedarf ein- oder ausgeschaltet werden kann, indem die Orientierung zwischen den Schichten geändert wird", sagte Rebeca Ribeiro, die diese Arbeit als Postdoc-Forscherin an der Columbia University leitete und jetzt CNRS-Forscherin am französischen 'Center for Nanoscience and Nanotechnology' (C2N-CNRS) ist.

"Die Abstimmung dieser Energielücke stellt nicht nur einen großen Schritt in Richtung des zukünftigen Einsatzes von Graphen in vielfältigen Anwendungen dar, sondern es ist auch eine allgemeine Demonstration, bei der die Elementeeigenschaften von 2-D Materialien durch Rotation dramatisch variiert werden."

Aus technologischer Sicht bietet die Möglichkeit, die Eigenschaften eines Schichtenmaterials durch Variation des Verdrehwinkels einzustellen, dass eine einzige Materialplattform eine Vielzahl von Funktionen ausführen kann.

Zum Beispiel werden elektronische Schaltungen aus einer begrenzten Anzahl von Komponenten wie metallischen Leitern, Isolatoren, Halbleitern und magnetischen Materialien aufgebaut.

Dieser Prozess erfordert die Integration unterschiedlichster Materialien und kann eine große technische Herausforderung darstellen. Im Gegensatz dazu könnte ein einzelnes Material, das sich lokal "verdrehen" lässt, um jede dieser Komponenten zu realisieren, erhebliche neue technische Möglichkeiten mit sich bringen.

Darüber hinaus bietet die Möglichkeit, ein System mit mechanischer Verdrehung dynamisch abzustimmen, neue Schaltfunktionen, die völlig neue Geräteanwendungen möglich machen.

Zum Beispiel variieren traditionelle Schalter typischerweise zwischen zwei gut definierten Zuständen (ein oder aus, magnetisch oder nicht, etc.). Die Columbia-Plattform könnte die Möglichkeit bieten, zwischen beliebig vielen komplementären Zuständen zu schalten.

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