Forscher nutzen Graphenbänder, um das Potenzial des Materials zu steigern

Denken Sie, Sie wissen alles über ein Material? Versuchen Sie es mal anders – im wahrsten Sinne des Wortes. Das ist die Hauptidee eines aufstrebenden Forschungsgebiets in der Physik der kondensierten Materie namens „Twistronik“, bei dem Forscher die Eigenschaften von 2D-Materialien wie Graphen drastisch verändern, und zwar mit subtilen Änderungen – von nur 1,1° auf 1,2° – im Winkel zwischen gestapelten Schichten.

Es hat sich beispielsweise gezeigt, dass sich verdrehte Graphenschichten auf eine Art und Weise verhalten, die einzelne Schichten nicht haben, einschließlich der Wirkung wie Magnete, wie elektrische Supraleiter oder wie das Gegenteil eines Supraleiters, nämlich Isolatoren, alles aufgrund kleiner Änderungen im Verdrehungswinkel zwischen den Schichten.

Theoretisch könnten Sie jede Eigenschaft einstellen, indem Sie einen Knopf drehen, der den Drehwinkel ändert. Die Realität ist jedoch nicht so einfach, sagt der Columbia-Physiker Cory Dean. Zwei verdrehte Graphenschichten können wie ein neues Material werden, aber warum genau sich diese unterschiedlichen Eigenschaften manifestieren, ist noch nicht genau verstanden, geschweige denn etwas, das noch vollständig kontrolliert werden kann.

Dean und sein Labor haben eine einfache neue Herstellungstechnik entwickelt, die Physikern dabei helfen könnte, die grundlegenden Eigenschaften von verdrehten Graphenschichten und anderen 2D-Materialien systematischer und reproduzierbarer zu untersuchen. Einschreiben WissenschaftSie verwenden lange „Bänder“ aus Graphen anstelle von quadratischen Flocken, um Geräte zu schaffen, die ein neues Maß an Vorhersagbarkeit und Kontrolle sowohl über den Verdrehungswinkel als auch über die Dehnung bieten.

Graphen-Geräte werden üblicherweise aus atomar dünnen Graphenflocken mit einer Größe von nur wenigen Quadratmillimetern zusammengesetzt. Der resultierende Verdrehungswinkel zwischen den Blättern ist fixiert und es kann schwierig sein, die Flocken gleichmäßig übereinander zu schichten.

„Stellen Sie sich Graphen als Stücke einer Frischhaltefolie vor – wenn Sie zwei Stücke zusammenfügen, entstehen zufällige kleine Falten und Blasen“, sagt Postdoc Bjarke Jessen, Mitautor der Arbeit. Diese Blasen und Falten sind mit Änderungen im Verdrehungswinkel zwischen den Blättern und der dazwischen auftretenden physischen Belastung vergleichbar und können dazu führen, dass sich das Material wahllos verzieht, verbiegt und einklemmt. All diese Variationen können zu neuen Verhaltensweisen führen, es war jedoch schwierig, sie innerhalb und zwischen Geräten zu kontrollieren.

Bänder können helfen, die Dinge zu glätten. Die neue Forschung des Labors zeigt, dass sie mit nur einem kleinen Druck von der Spitze eines Rasterkraftmikroskops ein Graphenband in einen stabilen Bogen biegen können, der dann flach auf eine zweite, ungekrümmte Graphenschicht gelegt werden kann.

Das Ergebnis ist eine kontinuierliche Variation des Verdrehungswinkels zwischen den beiden Blättern, der sich über die gesamte Länge des Geräts von 0° bis 5° erstreckt, mit gleichmäßig verteilter Spannung im gesamten Gerät – keine zufälligen Blasen oder Falten mehr, mit denen man zu kämpfen hat. „Wir müssen nicht mehr zehn separate Geräte mit zehn verschiedenen Winkeln herstellen, um zu sehen, was passiert“, sagte Postdoktorandin und Co-Autorin Maëlle Kapfer. „Und wir können jetzt die Belastung kontrollieren, was bei früheren verdrehten Geräten völlig fehlte.“

Das Team verwendete spezielle hochauflösende Mikroskope, um zu bestätigen, wie gleichmäßig ihre Geräte waren. Mit diesen räumlichen Informationen entwickelten sie ein mechanisches Modell, das Verdrehungswinkel und Dehnungswerte einfach auf der Grundlage der Form des gebogenen Bandes vorhersagt.

Dieser erste Artikel konzentrierte sich auf die Charakterisierung des Verhaltens und der Eigenschaften von Graphenbändern sowie anderen Materialien, die zu einzelnen Schichten verdünnt und übereinander gestapelt werden können. „Es hat mit jedem 2D-Material funktioniert, das wir bisher ausprobiert haben“, bemerkte Dean.

Von hier aus plant das Labor, mit seiner neuen Technik zu untersuchen, wie sich die grundlegenden Eigenschaften von Quantenmaterialien als Funktion von Verdrehungswinkel und Spannung ändern. Frühere Untersuchungen haben beispielsweise gezeigt, dass zwei verdrillte Graphenschichten wie ein Supraleiter wirken, wenn der Verdrillungswinkel 1,1 beträgt.

Es gebe jedoch konkurrierende Modelle, um die Ursprünge der Supraleitung in diesem sogenannten „magischen Winkel“ zu erklären, sowie Vorhersagen weiterer magischer Winkel, die bislang zu schwer zu stabilisieren seien, sagte Dean. Mit Geräten aus Bändern, die alle Winkel zwischen 0° und 5° enthalten, kann das Team die Ursprünge dieses und anderer Phänomene genauer erforschen.

„Was wir tun, ist wie Quantenalchemie: Wir nehmen ein Material und verwandeln es in etwas anderes. Wir haben jetzt eine Plattform, um systematisch zu erforschen, wie das passiert“, sagte Jessen.