Forscher formulieren „goldene Regeln“ zur Steuerung der Ausrichtung von Supermoiré-Gittern

Physiker der National University of Singapore (NUS) haben eine Technik zur präzisen Steuerung der Ausrichtung von Supermoiré-Gittern mithilfe einer Reihe goldener Regeln entwickelt und damit den Weg für die Weiterentwicklung der Moiré-Quantenmaterie der nächsten Generation geebnet.

Moiré-Muster entstehen, wenn zwei identische periodische Strukturen mit einem relativen Verdrehungswinkel zwischen ihnen oder zwei verschiedene periodische Strukturen, aber mit oder ohne Verdrehungswinkel überlagert werden. Der Verdrillungswinkel ist der Winkel zwischen den kristallographischen Orientierungen der beiden Strukturen. Wenn beispielsweise Graphen und hexagonales Bornitrid (hBN), bei denen es sich um Schichtmaterialien handelt, übereinander gelegt werden, richten sich die Atome in den beiden Strukturen nicht perfekt aus, wodurch ein Muster aus Interferenzstreifen entsteht, das als Moiré-Muster bezeichnet wird.

Dies führt zu einer elektronischen Rekonstruktion. Das Moiré-Muster in Graphen und hBN wurde verwendet, um neue Strukturen mit exotischen Eigenschaften wie topologischen Strömungen und Hofstadter-Schmetterlingszuständen zu erzeugen. Wenn zwei Moiré-Muster übereinander gestapelt werden, entsteht eine neue Struktur namens Supermoiré-Gitter (siehe Abbildung oben). Im Vergleich zu herkömmlichen Einzel-Moiré-Materialien erweitert dieses Supermoiré-Gitter den Bereich der einstellbaren Materialeigenschaften und ermöglicht den potenziellen Einsatz in einer viel größeren Vielfalt von Anwendungen.

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Ariando vom Department of Physics der NUS entwickelte eine Technik und realisierte erfolgreich die kontrollierte Ausrichtung des hBN/Graphen/hBN-Supermoiré-Gitters. Diese Technik ermöglicht die präzise Anordnung zweier Moiré-Muster übereinander. In der Zwischenzeit haben die Forscher auch die „Goldene Dreierregel“ formuliert, um die Verwendung ihrer Technik zur Herstellung von Supermoiré-Gittern zu leiten. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift veröffentlicht Naturkommunikation.

Bei der Erstellung eines Graphen-Supermoiré-Gitters gibt es drei Hauptherausforderungen. Erstens hängt die herkömmliche optische Ausrichtung stark von den geraden Kanten des Graphens ab, aber es ist zeit- und arbeitsintensiv, eine geeignete Graphenflocke zu finden; Zweitens besteht aufgrund der Unsicherheit seiner Kantenchiralität und Gittersymmetrie eine geringe Wahrscheinlichkeit von 1/8, ein doppelt ausgerichtetes Supermoiré-Gitter zu erhalten, selbst wenn die Graphenprobe mit geraden Kanten verwendet wird. Drittens: Obwohl die Kantenchiralität und die Gittersymmetrie identifiziert werden können, werden die Ausrichtungsfehler häufig als groß (größer als 0,5 Grad) festgestellt, da es physikalisch schwierig ist, zwei verschiedene Gittermaterialien auszurichten.

Dr. Junxiong Hu, der Hauptautor der Forschungsarbeit, sagte: „Unsere Technik hilft, ein reales Problem zu lösen. Viele Forscher haben mir erzählt, dass sie normalerweise fast eine Woche brauchen, um eine Probe herzustellen. Mit unserer Technik können sie das.“ verkürzen nicht nur die Herstellungszeit erheblich, sondern verbessern auch die Genauigkeit der Probe erheblich.

Die Forscher verwenden zu Beginn eine 30-Grad-Rotationstechnik, um die Ausrichtung der oberen hBN- und Graphenschichten zu steuern. Dann verwenden sie eine Flip-Over-Technik, um die Ausrichtung der oberen hBN- und unteren hBN-Schichten zu steuern. Basierend auf diesen beiden Methoden können sie die Gittersymmetrie steuern und die Bandstruktur des Graphen-Supermoiré-Gitters abstimmen. Sie haben auch gezeigt, dass die benachbarte Graphitkante als Orientierung für die Stapelausrichtung dienen kann. In dieser Studie haben sie 20 Moiré-Proben mit einer Genauigkeit von mehr als 0,2 Grad hergestellt.

Prof. Ariando sagte: „Wir haben drei goldene Regeln für unsere Technik aufgestellt, die vielen Forschern in der Gemeinschaft der zweidimensionalen Materialien helfen können. Viele Wissenschaftler, die in anderen stark korrelierten Systemen wie um einen magischen Winkel verdrillten Doppelschicht-Graphen oder ABC-Stapel-Mehrschicht-Graphen arbeiten, sind es.“ Wir gehen davon aus, dass auch wir von unserer Arbeit profitieren werden. Ich hoffe, dass diese technische Verbesserung die Entwicklung der nächsten Generation der Moiré-Quantenmaterie beschleunigen wird.“

Derzeit nutzt das Forschungsteam diese Technik zur Herstellung des einschichtigen Graphen-Supermoiré-Gitters und erforscht die einzigartigen Eigenschaften dieses Materialsystems. Darüber hinaus weiten sie die aktuelle Technik auch auf andere Materialsysteme aus, um weitere neuartige Quantenphänomene zu entdecken.