Das vertikale Stapeln zweidimensionaler (2D) Materialien zur Bildung von Van-der-Waals-Homo- oder Heterostrukturen ist zu einem wirksamen Mittel zur Regulierung ihrer physikalischen und mechanischen Eigenschaften geworden. Insbesondere wenn an der Stapelgrenzfläche ein kleiner Verdrehungswinkel vorhanden ist, zeigen die 2D-Strukturen aufgrund der einzigartigen Zwischenschichtkopplung oft viele interessante und sogar magische physikalische Phänomene.
Im Fall von zweischichtigem Graphen mit einem kleinen Verdrehungswinkel wird die verdrehte Grenzfläche aufgrund der Konkurrenz zwischen der Stapelungsenergie zwischen den Schichten und der elastischen Spannungsenergie innerhalb der Schicht einer spontanen atomaren Rekonstruktion unterzogen. Diese spezielle Stapelstruktur kann zu vielen unerwarteten Phänomenen führen, darunter dem Mott-Isolierzustand, unkonventioneller Supraleitung und spontanem Ferromagnetismus.
Kürzlich wurde festgestellt, dass verdrehte Grenzflächen nicht nur in der Oberflächenschicht auftreten, sondern auch in die Van-der-Waals-Strukturen eingebettet sein können, was zu einem umfassenderen physikalischen Verhalten führen kann. Bei diesen interessanten 2D-Architekturen hängen ihre physikalischen Eigenschaften stark vom Stapelzustand der internen Schichten und Schnittstellen ab.
Leider ist die genaue Charakterisierung der eingebetteten Stapelstruktur immer noch eine große Herausforderung. Darüber hinaus ist die Frage, ob die eingebetteten verdrillten Grenzflächen ebenfalls einer atomaren Rekonstruktion unterzogen würden und welche Auswirkungen die Rekonstruktion auf die benachbarten Atomschichten sowie die gesamten gestapelten Einheiten haben könnte, wissenschaftlich interessant und bleibt unerforscht.
Um diese Fragen zu beantworten, haben die Gruppe von Professor Qunyang Li an der Tsinghua-Universität und die Gruppe von Professor Ouyang Wengen an der Universität Wuhan eine neue Methode entwickelt, die auf der konduktiven Rasterkraftmikroskopie (c-AFM) basiert, um den inneren Stapelzustand von verdrilltem Schichtmaterial durch einfache Methoden zu charakterisieren und zu rekonstruieren Messungen der Oberflächenleitfähigkeit. Die entsprechende Arbeit wurde in veröffentlicht National Science Review.
Ihre experimentellen Ergebnisse haben gezeigt, dass die verdrehten Grenzflächen noch einer atomaren Rekonstruktion unterzogen werden können und die Oberflächenleitfähigkeit deutlich beeinflussen, selbst wenn sie zehn Atomschichten unter der Oberfläche eingebettet sind. Um die atomare Struktur des verdrillten Mehrschichtsystems besser zu verstehen, wurde ein mehrschichtiges Graphensystem, das den experimentellen Proben ähnelt, in einem Molekulardynamik-Simulationsmodell (MD) unter genauer Berücksichtigung der Wechselwirkungen zwischen den Schichten konstruiert.
Die Simulationsergebnisse haben gezeigt, dass bei kleinwinkelig verdrillten Grenzflächen, die im Inneren des Materials eingebettet sind, tatsächlich eine atomare Rekonstruktion stattfinden und die Rotationsverformung der angrenzenden Graphenschichten in der Ebene fördern kann. Die atomare Rotationsverformung der Graphenschicht nimmt jedoch allmählich ab, wenn man sich von der verdrehten Grenzfläche entfernt.
Basierend auf den in MD-Simulationen aufgedeckten Atomstrukturen schlug die Forschungsgruppe ein Serienausbreitungswiderstandsmodell (SSR-Modell) vor, um den Einfluss des Stapelzustands eines verdrillten Mehrschichtsystems auf seine Oberflächenleitfähigkeit zu quantifizieren.
Das neue Modell ermöglicht eine direkte Korrelation zwischen der Oberflächenleitfähigkeit und der inneren Stapelstruktur, die auch für verdrillte Mehrschichtproben mit komplexen Kristalldefekten (z. B. Versetzungen) anwendbar ist. Die Arbeit bietet ein einfaches, praktisches und hochauflösendes Mittel zur Charakterisierung der internen Stapelstrukturen von verdrillten Schichtmaterialien, was für grundlegende Studien von 2D-Stapelstrukturen und die Entwicklung neuer verdrillter Elektronik von entscheidender Bedeutung ist.
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Huan Wang et al., Ableitung der internen Grenzflächen von verdrehtem mehrschichtigem Graphen über Moiré-regulierte Oberflächenleitfähigkeit, National Science Review (2023). DOI: 10.1093/nsr/nwad175