L'impilamento verticale di materiali bidimensionali (2D) per formare omo- o etero-strutture di van der Waals è diventato un mezzo efficace per regolarne le proprietà fisiche e meccaniche. In particolare, quando è presente un piccolo angolo di torsione nell'interfaccia impilata, le strutture 2D spesso mostrano molti fenomeni fisici interessanti e persino magici grazie all'esclusivo accoppiamento tra gli strati.
Nel caso del grafene a doppio strato con un piccolo angolo di torsione, l'interfaccia ritorta subirà una ricostruzione atomica spontanea a causa della competizione tra l'energia di impilamento dell'interstrato e l'energia di deformazione elastica intrastrato. Questa speciale struttura impilata può portare a molti fenomeni inaspettati, tra cui lo stato isolante di Mott, la superconduttività non convenzionale e il ferromagnetismo spontaneo.
Recentemente, è stato scoperto che le interfacce contorte possono non solo apparire nello strato superficiale, ma possono anche essere incorporate all'interno delle strutture di van der Waals, il che può portare a comportamenti fisici più ricchi. Per queste interessanti architetture 2D, le loro proprietà fisiche sono altamente sensibili allo stato di impilamento degli strati interni e delle interfacce.
Sfortunatamente, caratterizzare con precisione la struttura di impilamento incorporata è ancora una grande sfida. Inoltre, se anche le interfacce intrecciate incorporate subiranno una ricostruzione atomica e quali impatti la ricostruzione potrebbe avere sugli strati atomici vicini e sulle intere unità impilate sono scientificamente intriganti e rimangono inesplorati.
Per rispondere a queste domande, il gruppo del professor Qunyang Li dell'Università di Tsinghua e il gruppo del professor Ouyang Wengen dell'Università di Wuhan hanno sviluppato un nuovo metodo basato sulla microscopia conduttiva a forza atomica (c-AFM) per caratterizzare e ricostruire lo stato di impilamento interno di materiale a strati attorcigliati attraverso semplici misure di conducibilità superficiale. Il lavoro correlato è stato pubblicato su National Science Review .
I loro risultati sperimentali hanno dimostrato che le interfacce ritorte possono ancora subire una ricostruzione atomica e influenzare notevolmente la conduttività superficiale anche quando sono incorporate 10 strati atomici sotto la superficie. Per comprendere meglio la struttura atomica del sistema multistrato ritorto, un sistema multistrato di grafene simile ai campioni sperimentali è stato costruito in un modello di simulazione di dinamica molecolare (MD) considerando accuratamente le interazioni tra gli strati.
I risultati della simulazione hanno rivelato che per interfacce ritorte ad angolo piccolo incorporate all’interno del materiale, può effettivamente verificarsi una ricostruzione atomica e promuovere la deformazione rotazionale nel piano degli strati di grafene adiacenti. Tuttavia, la deformazione rotazionale atomica dello strato di grafene decade gradualmente man mano che ci si allontana dall'interfaccia contorta.
Sulla base delle strutture atomiche rivelate nelle simulazioni MD, il gruppo di ricerca ha proposto un modello di resistenza alla diffusione in serie (modello SSR) per quantificare l'influenza dello stato di impilamento del sistema multistrato ritorto sulla sua conduttività superficiale.
Il nuovo modello consente di effettuare direttamente una correlazione tra la conduttività superficiale e la struttura di impilamento interna, applicabile anche per campioni multistrato ritorti con difetti cristallini complessi (ad esempio dislocazioni). Il lavoro fornisce un mezzo semplice, conveniente e ad alta risoluzione per caratterizzare le strutture di impilamento interne di materiali a strati ritorti, che è cruciale per gli studi fondamentali delle strutture impilate 2D e lo sviluppo dell'elettronica ritorta emergente.
Ulteriori informazioni: Huan Wang et al, Deduzione delle interfacce interne del grafene multistrato ritorto tramite conduttività superficiale regolata dal moiré, National Science Review (2023). DOI:10.1093/nsr/nwad175
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