Misura della conducibilità di TBG con angoli di torsione variabili. (A) Schema di c-AFM per misurare la conduttività verticale del grafene a doppio strato su substrato h-BN con diversi angoli di torsione. È stata applicata una polarizzazione costante tra la punta conduttiva e il film di grafene inferiore. GB, confini del grano. (B) Immagine corrente tipica misurata su grafene a doppio strato che mostra domini con diversi angoli di torsione (1,1°, 3,0°, e>12°) con una polarizzazione di 10 mV. Barra della scala, 20 nm. (C) Profili tipici della linea di corrente misurati da diversi domini con angoli di torsione di 1,1°, 3,0°, e>12°, rispettivamente. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abc5555
Gli scienziati dei materiali possono controllare l'angolo di torsione interstrato dei materiali per offrire un metodo potente per mettere a punto le proprietà elettroniche dei materiali van der Waals bidimensionali (2D). In tali materiali, la conduttività elettrica aumenterà in modo monotono (costantemente) con la diminuzione dell'angolo di torsione a causa dell'accresciuto accoppiamento tra strati adiacenti. In un nuovo rapporto, Shuai Zhang e un team di scienziati in materiali funzionali, ingegneria, nanosistemi e tribologia, in Cina, ha descritto una configurazione per la conduttività verticale non monotona dipendente dall'angolo attraverso l'interfaccia del grafene a doppio strato contenente bassi angoli di torsione. La conducibilità verticale aumenta gradualmente con la diminuzione dell'angolo di torsione, però, dopo un'ulteriore diminuzione dell'angolo di torsione, la conduttività del materiale è notevolmente diminuita. Gli scienziati hanno rivelato il comportamento anomalo utilizzando i calcoli della teoria del funzionale della densità (DFT) e la microscopia a effetto tunnel (STM) e hanno attribuito il risultato all'insolita riduzione della densità media dei portatori originata dalle ricostruzioni atomiche locali. La ricostruzione atomica può avvenire a causa dell'interazione tra l'energia di interazione di van der Waals e l'energia elastica all'interfaccia, portando a strutture affascinanti. L'impatto della ricostruzione atomica è stato significativo sulla conduttività verticale per il basso angolo, materiali di van der Waals ritorti in 2-D; fornendo una nuova strategia per progettare e ottimizzare le loro prestazioni elettroniche.
Regolazione delle proprietà elettroniche dei materiali 2-D
Gli scienziati dei materiali hanno dimostrato metodi per variare l'angolo di torsione degli strati intercalari per fornire una strategia efficace per mettere a punto le proprietà elettroniche delle strutture di van der Waals. Recenti esperimenti hanno rivelato come la conduttività interstrato delle strutture di van der Waals 2-D come le giunzioni grafene/grafene o grafene/grafite diminuisse in modo monotono con un aumento dell'angolo di torsione. I ricercatori possono spiegare tale conduttività interstrato monotona dipendente dall'angolo utilizzando un meccanismo di trasporto interstrato mediato da fononi. Oltre alla conduttività intercalare, la conducibilità verticale può essere sondata utilizzando la microscopia a forza atomica di conduttanza (c-AFM), dove i risultati hanno mostrato tendenze simili per diversi materiali 2-D con un ampio sistema di torsione. Recenti studi sul grafene a doppio strato ritorto a basso angolo (TBG) hanno mostrato gli effetti delle interazioni competitive di van der Waals e dell'elasticità nel piano che influenzano la ricostruzione su scala atomica locale del grafene, rivelare proprietà elettroniche non convenzionali come la superconduttività, isolanti correlati e ferromagnetismo spontaneo. È quindi scientificamente intrigante studiare la conduttività verticale del grafene a doppio strato ritorto (TBG) e capire come si evolve con l'angolo di torsione.
Dipendenza della conducibilità verticale dall'angolo di torsione. Viene mostrata la relazione tra la corrente normalizzata e l'angolo di torsione ottenuto su TBG/h-BN. I dati con lo stesso colore e forma del simbolo sono stati ottenuti contemporaneamente dalla stessa immagine corrente. L'inserto mostra la relazione tra la corrente e l'angolo di torsione ottenuto su grafene ritorto su grafite, dove i valori di corrente sono stati normalizzati dal valore di corrente medio del grafene a doppio strato con un angolo di torsione di 0°. La barra di errore rappresenta la deviazione standard (SD) del segnale corrente in ciascuna immagine. a.u., unità arbitrarie. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abc5555 
Durante gli esperimenti, Zhang et al. ha utilizzato una spessa scaglia esagonale di nitruro di boro (h-BN) come substrato e ha coltivato grafene a doppio strato mediante deposizione chimica da vapore. In questi campioni, lo strato inferiore di grafene formava un film policristallino continuo, mentre lo strato superiore di grafene è rimasto un'isola di grafene a cristallo singolo. Questa struttura del campione unica ha permesso loro di studiare un gran numero di domini di grafene a doppio strato ritorto con un'ampia gamma di angoli di torsione. Durante le misurazioni AFM conduttive, il team ha applicato una tensione di polarizzazione costante tra la sonda conduttiva e il film per monitorare continuamente la corrente nella configurazione. Con l'angolo di torsione decrescente, gli scienziati hanno notato un calo della conduttività verticale del grafene a doppio strato attorcigliato, una caratteristica nettamente diversa dalla conduttività dipendente dall'angolo monotona osservata nelle precedenti indagini.
Esplorazione della dipendenza anormale dell'angolo di torsione nel grafene a doppio strato ritorto (TBG)
Conducibilità ed evoluzione della struttura con angoli di torsione. (A) Profili di corrente tipici misurati su TBG su due domini (un dominio con un angolo di torsione>12° e l'altro dominio con angoli di torsione di 2,9°, 1,5°, 0,9°, 0,8°, e 0,6°, rispettivamente). (B e C) Immagini correnti tipiche ottenute da TBG con angoli di torsione di 2,9° e 0,6°, rispettivamente. Le regioni impilate AA sono contrassegnate da cerchi neri. Barra della scala, 10 nm. (D a F) Schemi che mostrano l'impilamento atomico in TBG con diversi angoli di torsione e le configurazioni atomiche per AA, AB, e impilamento BA. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abc5555
Per esplorare questa caratteristica insolita, Zhang et al. misurazioni condotte su più campioni di TBG. Quando l'angolo di torsione è diminuito da 120 gradi a cinque gradi, la conduttività del TBG è aumentata gradualmente, coerente con i rapporti precedenti. Quando l'angolo di torsione è sceso sotto i cinque gradi, però, il team ha notato l'insolita riduzione della conduttività. Per escludere l'influenza del substrato di nitruro di boro esagonale, hanno trasferito il grafene monostrato sulla superficie della grafite con un basso angolo di torsione controllabile, e misurato la conduttività verticale utilizzando c-AFM (microscopia conduttiva a forza atomica), osservare un simile risultato insolito. Il team ha quindi eseguito misurazioni della conduttività con una risoluzione più fine per esaminare l'origine della diminuzione anormale della conduttività, quando gli angoli di torsione erano inferiori a cinque gradi.
Per capire la complessità, hanno caratterizzato le strutture in scala moiré e sub-moiré con una risoluzione più elevata utilizzando esperimenti STM (microscopia a scansione a effetto tunnel) su campioni di grafene a doppio strato ritorto con angoli di torsione bassi (che vanno da 0,6 gradi, da 1,1 gradi a 3,3 gradi). I superreticoli moiré sono strutture prodotte da strati 2-D impilati con un angolo di torsione e/o un disallineamento del reticolo. Secondo le misurazioni STM, la densità locale degli stati sulla superficie del grafene a doppio strato ritorto è diminuita quando l'angolo di torsione si è ridotto da 3,3 gradi a 0,6 gradi. Il grafene a doppio strato è un semimetallo che può adottare la cosiddetta "struttura impilata AB" o la rara "struttura impilata AA" - che si prevede siano molto diverse l'una dall'altra. In questo caso, la regione con conduttività bassa e alta nel grafene a doppio strato ritorto corrispondeva approssimativamente alle regioni impilate AB/BA e AA, rispettivamente.
Caratterizzazioni STM di strutture a scala moiré e sub-moiré. (A) Tre tipiche immagini di altezza 3D misurate su TBG con angoli di torsione di 0,6°, 1.1°, e 3,3°, rispettivamente. (B) Quattro profili di altezza tipici misurati su TBG in due regioni (una regione con un angolo di torsione>12° e l'altra regione con angoli di torsione di 3,3°, 2,3°, 1.1°, e 0,6°, rispettivamente). (C) Caratterizzazione ad alta risoluzione della struttura della scala sub-moiré misurata su TBG con un angolo di torsione di 1,1°. Barra della scala, 2 nm. (D) Modelli di trasformata di Fourier (pannelli superiori), Immagini risolte atomicamente con filtro di Fourier (pannelli centrali), e il corrispondente diagramma schematico della struttura di impilamento atomico (pannelli inferiori) per AA-, AB-, e regioni in pila BA, rispettivamente. Barra della scala, 5 . Le misurazioni STM sono state eseguite in modalità a corrente costante con la stessa tensione di polarizzazione di 50 mV. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abc5555
Calcoli teorici
Zhang et al. ha anche eseguito calcoli teorici per capire come la struttura del superreticolo moiré e la ricostruzione locale portassero a una conduttività verticale anormale. In tutti i casi, le regioni AA-stacked hanno mostrato una migliore conduttività rispetto alle regioni AB-sacked. Il team ha quantificato la variazione della conduttività con gli angoli di torsione, tramite simulazioni, riprodurre le osservazioni sperimentali. Gli scienziati hanno anche studiato la conduttività intercalare grafene-grafene per comprendere l'origine del comportamento di crossover. Utilizzando calcoli DFT (teoria del funzionale della densità), hanno scoperto la presenza di regioni impilate di AA per migliorare la densità di vettori locali, questo fenomeno è sorto a causa della maggiore sistemazione del vettore locale nella regione accatastata di AA nella struttura del superlattice moiré.
Evoluzioni della conduttività, densità portante, e configurazioni atomiche di TBG con angolo di torsione. (A) Schema che mostra il modello di simulazione di c-AFM. (B) Mappe di conducibilità locale simulate di TBG con angoli di torsione di 0°, 3,5°, 4,7°, 5,5°, e 11°, rispettivamente. (C e D) Conducibilità media della giunzione punta/TBG (C), Conducibilità intercalare TBG, e densità media del vettore del grafene dello strato superiore (D) calcolata per diversi angoli di torsione. (E) Frazione areale normalizzata della regione AA-stacked in moiré superlattice (rAA/a)2 calcolata utilizzando strutture di impilamento atomico rilassate e rigide. Il riquadro mostra gli spostamenti atomici nel piano dopo il rilassamento per TBG con un angolo di torsione di 3,5°. Le linee tratteggiate sono tracciate schematicamente per evidenziare il trend. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abc5555
Veduta
In questo modo, la proprietà di trasporto verticale del grafene a doppio strato ritorto (TBG) potrebbe essere determinata da due fattori:inclusa la densità del vettore superficiale e la barriera di tunneling interstrato. L'elevata densità di portatori e la bassa barriera di tunneling erano entrambi essenziali per un'elevata conduttività. Shuai Zhang e colleghi hanno usato TBG come esempio e hanno scoperto che la conduttività verticale delle eterostrutture di van der Waals mostra una dipendenza non monotona dall'angolo di torsione. Quando l'angolo di torsione ha raggiunto una soglia inferiore a 5 gradi, la conduttività verticale è diminuita in modo anomalo a causa di un notevole calo della densità del vettore. I risultati hanno sottolineato l'influenza della ricostruzione atomica sulla conduttività verticale nelle interfacce 2-D. Il lavoro offre una guida per ottimizzare le prestazioni elettriche del grafene a doppio strato ritorto e di altre strutture 2-D van der Waals nel campo dell'optoelettronica.
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