I materiali bidimensionali (2-D) come il grafene hanno componenti elettronici unici, magnetico, ottico, e proprietà meccaniche che promettono di guidare l'innovazione in aree dall'elettronica all'energia, dai materiali alla medicina. I ricercatori della Columbia University segnalano un importante progresso che potrebbe rivoluzionare il campo, un dispositivo "twistronic" le cui caratteristiche possono essere variate semplicemente variando l'angolo tra due diversi strati 2-D sovrapposti.

In un articolo pubblicato online oggi in Scienza , il team dimostra una nuova struttura del dispositivo che non solo offre loro un controllo senza precedenti sull'orientamento angolare nei dispositivi a strati intrecciati, ma permette anche loro di variare questo angolo in situ, in modo che gli effetti dell'angolo di torsione sull'elettronica, ottico, e le proprietà meccaniche possono essere studiate in un unico dispositivo.

Guidati da Cory Dean (fisica, Columbia University) e James Hone (ingegneria meccanica, Ingegneria della Columbia), il team si è basato su tecniche precedentemente sperimentate per stratificare meccanicamente grafene e altri materiali 2-D, uno sopra l'altro, formare nuove strutture. "Questo processo di assemblaggio meccanico ci consente di mescolare e abbinare diversi cristalli per costruire materiali completamente nuovi, spesso con proprietà fondamentalmente diverse dagli strati costituenti, "dice Hone, capo del Centro di ricerca scientifica e ingegneria dei materiali della Columbia (MRSEC), che indaga le proprietà di queste eterostrutture. "Con centinaia di materiali 2-D disponibili, le possibilità di progettazione sono enormi."

Recenti studi hanno dimostrato che l'allineamento rotazionale tra gli strati svolge un ruolo di fondamentale importanza nel determinare le nuove proprietà che sorgono quando i materiali vengono combinati. Per esempio, quando il grafene conduttore viene posto sopra il nitruro di boro isolante con i reticoli cristallini perfettamente allineati, il grafene sviluppa un gap di banda. Ad angoli diversi da zero, il band gap scompare e vengono recuperate le proprietà intrinseche del grafene. Proprio lo scorso marzo, i ricercatori del MIT hanno riportato la scoperta rivoluzionaria che due strati sovrapposti di grafene possono esibire proprietà esotiche inclusa la superconduttività quando l'angolo di torsione tra di loro è impostato su 1,1 gradi, chiamato "angolo magico".

In precedenti approcci alla fabbricazione di strutture con strati rotazionalmente disallineati, l'angolo è stato impostato durante il processo di assemblaggio. Ciò significava che una volta realizzato il dispositivo, le sue proprietà erano fisse. "Troviamo questo approccio frustrante, poiché errori di allineamento molto piccoli potrebbero dare risultati completamente diversi, " dice Dean. "Sarebbe fantastico realizzare un dispositivo in cui potessimo studiarne le proprietà ruotando continuamente i suoi strati e quindi la domanda era, come fare questo?"

La risposta, i ricercatori della Columbia hanno realizzato, era quello di sfruttare il basso attrito che esiste all'interfaccia tra gli strati, che sono tenuti insieme da forze di van der Waals che sono molto più deboli dei legami atomici all'interno di ogni strato. Questo basso attrito, che rende i materiali 2-D molto buoni come lubrificanti solidi, rende molto difficile l'assemblaggio controllato all'angolo desiderato. Il gruppo Columbia ha sfruttato a proprio vantaggio la caratteristica di basso attrito progettando una struttura del dispositivo in cui, invece di impedire la rotazione, potrebbero variare intenzionalmente e in modo controllabile l'angolo di rotazione.

Il team ha utilizzato eterostrutture grafene/nitruro di boro per dimostrare la portata della loro tecnica. In queste strutture, quando gli strati non sono allineati cristallograficamente, i materiali conservano le loro proprietà originali (es. il grafene avrà un carattere semi-metallico) ma quando gli strati sono allineati, le proprietà del grafene cambiano, aprendo un gap energetico e comportandosi come un semiconduttore. I ricercatori hanno dimostrato che questa messa a punto delle proprietà dell'eterostruttura influisce sulla sua ottica, meccanico, e risposte elettroniche.

"In particolare, abbiamo dimostrato che il gap energetico osservato nel grafene è sintonizzabile e può essere attivato o disattivato su richiesta semplicemente cambiando l'orientamento tra gli strati, "dice Rebeca Ribeiro, che ha guidato questo lavoro come ricercatore post-dottorato alla Columbia ed è ora ricercatore scientifico del CNRS presso il Centro francese per le nanoscienze e le nanotecnologie (C2N-CNRS). "La messa a punto di questo gap energetico non rappresenta solo un passo importante verso l'uso futuro del grafene in varie applicazioni, ma fornisce anche una dimostrazione generale in cui le proprietà del dispositivo dei materiali 2-D variano notevolmente con la rotazione "

Dal punto di vista tecnologico, la capacità di regolare le proprietà di un materiale stratificato variando l'angolo di torsione offre la possibilità a un'unica piattaforma di materiale di svolgere una varietà di funzioni. Per esempio, i circuiti elettronici sono costituiti da un numero finito di componenti inclusi conduttori metallici, isolanti, semiconduttori, e materiali magnetici. Questo processo richiede l'integrazione di una varietà di materiali diversi e può rappresentare una sfida ingegneristica significativa. In contrasto, un singolo materiale che può essere "tortolato" localmente per realizzare ciascuno di questi componenti potrebbe consentire nuove significative opportunità ingegneristiche.

Inoltre, la capacità di sintonizzare dinamicamente un sistema con torsione meccanica offre una nuova capacità di commutazione che potrebbe consentire applicazioni del dispositivo completamente nuove. Per esempio, gli interruttori tradizionali in genere variano tra due stati ben definiti (acceso o spento, magnetico o no, eccetera.). La piattaforma Columbia potrebbe consentire la possibilità di passare da un numero arbitrario di stati complementari.

Dean e Hone stanno ora usando la loro nuova tecnica per studiare altre combinazioni di materiali 2-D in cui le proprietà possono essere regolate dall'allineamento angolare. Stanno esaminando in particolare la recente scoperta della superconduttività nel grafene a doppio strato attorcigliato e stanno esplorando se possa essere una caratteristica generale dei doppi strati intrecciati realizzati con materiali 2-D arbitrari.

Dean aggiunge, "Il nostro studio dimostra un nuovo grado di libertà, vale a dire l'orientamento rotazionale tra gli strati, che semplicemente non esiste nelle eterostrutture a semiconduttore convenzionali. Questa è una rara occasione nel campo dei semiconduttori in cui stiamo davvero forgiando un nuovo percorso, e apre le porte a un campo di ricerca completamente nuovo in cui le proprietà dei materiali possono essere variate semplicemente ruotando la struttura".

Lo studio è intitolato "Elettronica twistabile con eterostrutture rotanti dinamicamente".