Un gruppo di ricercatori internazionali dell'Università di Manchester ha rivelato un nuovo metodo che potrebbe mettere a punto l'angolo - "twist" - tra strati sottili come un atomo che formano nanodispositivi esotici artificiali chiamati eterostrutture di van der Waals - e aiutare ad accelerare la prossima generazione di elettronica .

La nuova tecnica può ottenere la rotazione dinamica in situ e la manipolazione di materiali 2-D stratificati uno sopra l'altro per formare eterostrutture di van der Waals, dispositivi su nanoscala che vantano proprietà insolite e nuovi eccitanti fenomeni, ha spiegato il capogruppo, il professor Mishchenko.

La regolazione dell'angolo di torsione controlla la topologia e le interazioni degli elettroni nei materiali 2-D e un tale processo, denominato "twistronics", è un argomento di ricerca in ascesa in fisica negli ultimi anni. Il nuovo studio condotto da Manchester sarà pubblicato su Progressi scientifici oggi.

"La nostra tecnica consente eterostrutture di van der Waals contorte con ottiche sintonizzabili dinamicamente, meccanico, e proprietà elettroniche." ha spiegato Yaping Yang, l'autore principale di questo lavoro.

Yaping Yang ha aggiunto:"Questa tecnica, Per esempio, potrebbe essere utilizzato nella manipolazione robotica autonoma di cristalli bidimensionali per costruire superreticoli di van der Waals, che consentirebbe un posizionamento accurato, rotazione, e manipolazione di materiali 2-D per fabbricare materiali con angoli di torsione desiderati, per mettere a punto le proprietà elettroniche e quantistiche dei materiali di van der Waals."

Strati di torsione di cristalli 2-D l'uno rispetto all'altro determinano la formazione di un motivo moiré, dove i reticoli dei cristalli 2-D genitori formano un superreticolo. Questo superreticolo può cambiare completamente il comportamento degli elettroni nel sistema, portando all'osservazione molti nuovi fenomeni, comprese le forti correlazioni elettroniche, effetto Hall quantistico frattale, e superconduttività.

Il team ha dimostrato questa tecnica fabbricando con successo eterostrutture in cui il grafene è perfettamente allineato con gli strati incapsulanti sia superiore che inferiore di nitruro di boro esagonale, soprannominato "grafene bianco", creando superreticoli doppi moiré alle due interfacce.

Come pubblicato in Progressi scientifici , la tecnica è mediata da un cerotto resistivo polimerico su cristalli 2-D bersaglio e un manipolatore di gel polimerico, che può controllare in modo preciso e dinamico la rotazione e il posizionamento dei materiali 2D.

"La nostra tecnica ha il potenziale per portare la twistronica all'interno dei sistemi di misura criogenici, ad esempio, utilizzando micromanipolatori o dispositivi microelettromeccanici" ha aggiunto Artem Mishchenko.

I ricercatori hanno utilizzato un vetrino con una gocciolina di polidimetilsilossano (PDMS) come manipolatore, che è curato e modellato naturalmente in una geometria dell'emisfero. Intanto, hanno depositato intenzionalmente un cerotto epitassiale in polimetilmetacrilato (PMMA) sopra un cristallo 2-D bersaglio attraverso una litografia a fascio di elettroni standard.

I passaggi per manipolare i fiocchi di destinazione in un'eterostruttura sono facili da seguire. Abbassando il manico in gel polimerico, L'emisfero PDMS viene portato a contatto con il cerotto PMMA. Quando si toccano, si può facilmente spostare o ruotare i cristalli 2-D target sulla superficie del fiocco inferiore. Un movimento così fluido dei fiocchi 2-D si basa sulla superlubricità tra le due strutture cristalline.

La superlubrificazione è un fenomeno in cui l'attrito tra superfici atomicamente piatte scompare a seconda di determinate condizioni.

La tecnica di manipolazione consente la regolazione continua dell'angolo di torsione tra gli strati anche dopo l'assemblaggio dell'eterostruttura. Si può progettare la patch PMMA epitassiale in una forma arbitraria su richiesta, normalmente prendendo la geometria che si adatta al fiocco bersaglio. La tecnica di manipolazione è pratica e riproducibile poiché il cerotto in PMMA può essere facilmente lavato via con acetone e rimodellato mediante litografia.

Normalmente, per un emisfero PDMS accuratamente fabbricato, l'area di contatto tra l'emisfero e un cristallo 2-D dipende dal raggio dell'emisfero ed è molto sensibile alla forza di contatto, rendendo difficile controllare con precisione il movimento del cristallo 2-D bersaglio.

"Il cerotto epitassiale in PMMA svolge un ruolo cruciale nella tecnica di manipolazione. Il nostro trucco sta nel fatto che l'area di contatto del manipolatore di gel polimerico è limitata precisamente alla forma modellata dello strato di polimero epitassiale. Questa è la chiave per realizzare un controllo preciso del manipolazione, permettendo di applicare una forza di controllo molto più grande." ha detto Jidong Li, uno dei coautori.

Rispetto ad altre tecniche di manipolazione di materiali 2-D, come l'utilizzo di punte del microscopio a forza atomica (AFM) per spingere un cristallo con una geometria appositamente fabbricata, la tecnica in situ twistronics non è distruttiva e può manipolare i fiocchi indipendentemente dal loro spessore, mentre una punta AFM funziona meglio solo per fiocchi spessi e potrebbe distruggere quelli sottili.

Il perfetto allineamento del grafene e del nitruro di boro esagonale dimostra il potenziale della tecnica nelle applicazioni twistroniche.

Utilizzando la tecnica in situ, i ricercatori hanno ruotato con successo gli strati 2-D in un'eterostruttura nitruro di boro/grafene/nitruro di boro per realizzare un perfetto allineamento tra tutti gli strati. I risultati dimostrano la formazione di superreticoli doppi moiré alle due interfacce dell'eterostruttura. Inoltre, i ricercatori hanno osservato la firma del moireacute di secondo ordine (composito); pattern generato dal doppio moireacute; superreticoli.

Questa eterostruttura con grafene e nitruro di boro perfettamente allineati dimostra il potenziale della tecnica di manipolazione in twistonica.

"La tecnica può essere facilmente generalizzata ad altri sistemi di materiali 2-D e consente la manipolazione reversibile in qualsiasi sistema 2-D lontano dal regime commisurato", disse Yaping Yang, che ha svolto il lavoro sperimentale.

Il professor Mishchenko ha aggiunto:"Riteniamo che la nostra tecnica aprirà una nuova strategia nell'ingegneria dei dispositivi e troverà le sue applicazioni nella ricerca di quasicristalli 2-D, bande piatte ad angolo magico, e altri sistemi topologicamente non banali."