2D-Materialien mit „Twist“ zeigen unerwartetes elektronisches Verhalten, das theoretischen Vorhersagen widerspricht

Auf der Suche nach neuen Materialien, die eine effizientere Elektronik ermöglichen können, erforschen Wissenschaftler sogenannte 2D-Materialien. Dabei handelt es sich um Schichten mit einer Dicke von nur einem Atom, die alle möglichen interessanten elektronischen Eigenschaften aufweisen können. Legt man zwei Bleche in bestimmten Winkeln übereinander, kann dies zu neuen Eigenschaften wie der Supraleitung führen. Die Materialwissenschaftlerin Antonija Grubišić-Čabo von der Universität Groningen und ihre Kollegen untersuchten solch ein „verdrehtes“ Material und stellten fest, dass es theoretischen Vorhersagen widersprach.

Die Arbeit ist veröffentlicht im Tagebuch Materialien zur körperlichen Überprüfung.

Gemeinsam mit Kollegen aus Polen, Deutschland, Frankreich und Italien untersuchten Grubišić-Čabo und ihr Team Schichten aus einem 2D-Material namens Wolframdisulfid. Theoretischen Vorhersagen zufolge sollten die Elektronen im Material ein kollektives Verhalten zeigen, wenn zwei Schichten (eine sogenannte Doppelschicht) in einem Winkel von 4,4 Grad gestapelt werden.

„Und wenn sie so eng miteinander verbunden sind, kann ihr kollektives Verhalten neue, faszinierende Effekte erzeugen“, sagt Giovanna Feraco, Erstautorin der Studie.

Dieses kollektive Verhalten konnte sie jedoch in Experimenten nicht beobachten, was durch die Wechselwirkungen zwischen Atomen in der Doppelschicht erklärt werden kann. Die Drehung ermöglicht normalerweise diese Interaktionen.

„Aber durch die Untersuchung der elektronischen Struktur in der Doppelschicht haben wir herausgefunden, dass dieses Material dazu neigt, sich in große, ungedrehte Bereiche zu „entspannen“, erklärt Feraco. Technisch gesehen geht die verdrehte Doppelschicht teilweise in eine ungedrehte Konfiguration mit niedrigerer Energie zurück.

Dieser Befund unterstreicht, wie wichtig es ist zu verstehen, wie die beiden Schichten der Doppelschicht unterschiedliche Regionen mit unterschiedlichen Eigenschaften bilden. Die Studie hat auch die Fähigkeit der Wissenschaftler verbessert, das Verhalten von 2D-Strukturen vorherzusagen und zu manipulieren, und so den Weg für zukünftige Anwendungen in verschiedenen Arten der Elektronik geebnet.