La figura mostra (a) la misurazione al microscopio elettronico a trasmissione a scansione del bordo a zigzag di un fiocco di disolfuro di tantalio (TaS2) su nitruro di boro esagonale (h-BN) con le strutture geometriche previste calcolate dai calcoli della teoria del funzionale della densità (DFT). (b) Immagini di microscopia a forza atomica di grande area e zoom in 2H-TaS2 (forma triangolare) cresciute epitassialmente su substrato h-BN. La barra della scala è 1 nm. Credito: ACS Nano
I ricercatori del NUS hanno dimostrato che la fase dell'onda di densità di carica (CDW) in disolfuro di tantalio in fase H (TaS 2 ) i doppi strati possono essere stabilizzati a temperatura ambiente mediante interazioni interfacciali con un substrato di nitruro di boro esagonale (h-BN).
La meccanica quantistica ci dice che tutte le particelle si comportano come onde. La natura ondulatoria delle particelle è particolarmente evidente per le particelle con masse molto piccole, come gli elettroni. In alcuni materiali a bassa dimensionalità, gli elettroni formano coerenti, onde periodiche nel reticolo cristallino, con conseguente distorsioni ondulatorie nel reticolo atomico chiamate fase CDW. La fase CDW può esibire nuovi fenomeni, e ha una conduttività elettrica diversa dalla normale fase che può potenzialmente portare a nuovi progressi nelle applicazioni dei dispositivi. Però, la fase CDW esiste tipicamente a temperature molto basse. Gli sforzi per aumentare la temperatura di transizione di fase CDW, noto come TCDW, si sono concentrati sull'impatto della deformazione interfacciale e dei droganti di carica. Però, gli effetti di tali modifiche su TCDW non sono stati significativi, perché la misura in cui la fase CDW è stabilizzata da tali modifiche è intrinsecamente limitata.
In questo lavoro, Il gruppo del Prof Loh Kian Ping del Dipartimento di Chimica, NU, osservato la presenza di una fase CDW a temperatura ambiente in fase H TaS 2 bistrati quando sono cresciuti epitassialmente su substrati h-BN. La stessa fase CDW in massa TaS 2 (senza il substrato h-BN) esiste solo a temperature molto più basse, inferiore a 77 K. Utilizzando calcoli di meccanica quantistica, Il gruppo del Prof Quek Su Ying del Dipartimento di Fisica, NU, ha scoperto che l'aumento di TCDW derivava principalmente dalle interazioni interfacciali tra TaS 2 e il substrato h-BN, e in misura minore, ceppo interfacciale.
La microscopia elettronica a trasmissione a scansione e le misurazioni Raman hanno fornito prove per la fase 3 × 3 CDW a temperatura ambiente per TaS 2 quando è cresciuto epitassialmente su un substrato di h-BN. TaS 2 forma un superreticolo Moiré con h-BN. Nella struttura CDW, la disposizione reticolare degli atomi di zolfo (S) non sono più equidistanti tra loro, ma possono essere classificati in due gruppi. Un gruppo ha atomi di S che sono disposti più lontano l'uno dall'altro (+), mentre un altro gruppo ha atomi di S disposti più vicini l'uno all'altro (-).
I calcoli della teoria del funzionale della densità su 18 diverse configurazioni di impilamento in questa supercella mostrano che gli atomi di tantalio (Ta) e S sono sempre disposti in modo tale che il gruppo (+) sia centrato sull'atomo di azoto (N) sottostante, mentre il gruppo (-) è centrato sull'atomo di boro (B) sottostante. Questa osservazione può essere compresa dal fatto che gli atomi di S portano una leggera carica negativa in TaS 2 . Sono respinti dall'atomo di N caricato negativamente in h-BN, e attratto dall'atomo di B caricato positivamente. Così, la modulazione elettrostatica Moiré indotta dai sottostanti atomi B e N nel substrato h-BN favoriscono la struttura atomica CDW in doppio strato (o monostrato) TaS 2 . Questo nuovo meccanismo per la stabilizzazione della fase CDW è confermato dall'osservazione sperimentale, che TaS 2 orientato in modo casuale sul substrato h-BN non ha una fase CDW a temperatura ambiente.
Il professor Quek ha detto, "Nella letteratura, Le interazioni Moiré nelle eterostrutture di materiali 2-D hanno portato a molti fenomeni interessanti. Questo lavoro mostra che l'intera gamma di tali fenomeni deve ancora essere completamente scoperta. Possiamo usare queste interazioni interfacciali Moiré per progettare la fase quantistica dei sistemi di materiali 2-D, e questo grado di controllo è ciò che rende i materiali atomicamente sottili così affascinanti".
