Bükülü elektronikler ayarlanabilir 2-D malzemelere kapıyı açar

Anonim

Grafen gibi iki boyutlu (2-D) malzemeler, elektronikten enerjiye, malzemeden tıbbı alanlara yenilik getirmeyi vaad eden benzersiz elektronik, manyetik, optik ve mekanik özelliklere sahiptir. Columbia Üniversitesi araştırmacıları, bir diğerinin üzerine yerleştirilmiş iki farklı 2-D katmanı arasındaki açıyı basitçe değiştirerek özellikleri değiştirilebilen bir "twistronic" cihazını, alan üzerinde devrim yaratabilecek büyük bir ilerlemeyi rapor ediyorlar.

Bilim, bugün internette yayınlanan bir makalede, sadece bükülmüş katmanlı cihazlarda açısal yönelim üzerinde eşi benzeri olmayan bir kontrol sağlamasının yanı sıra, bu açıyı in situ olarak değiştirmelerini sağlayan yeni bir cihaz yapısı sergiliyor. Elektronik, optik ve mekanik özellikler üzerindeki açı, tek bir cihazda incelenebilir.

Cory Dean (fizik, Columbia Üniversitesi) ve James Hone (makine mühendisliği, Columbia Engineering) tarafından yönetilen ekip, daha önce grafene ve diğer 2-D malzemelerin bir diğerinin üzerine, diğerinin üzerine yerleştirilmesine öncülük ettikleri teknikler üzerine inşa edilmişti. yapıları. "Bu mekanik montaj süreci, farklı kristalleri karıştırıp birleştirmemize olanak tanıyor. Bunlar genellikle kurucu tabakalardan temel olarak farklı özelliklere sahip, tamamen yeni malzemeler inşa etmemize olanak veriyor" diyor Columbia Üniversitesi Malzeme Araştırmaları Bilim ve Mühendislik Merkezi'nin (MRSEC) lideri olan Hone, özellikleri araştırıyor. Bu heteroyapıların "Yüzlerce 2-D malzeme mevcut, tasarım olanakları çok büyük."

Son çalışmalar, tabakalar arasında rotasyonel hizalamanın, materyaller bir araya getirildiğinde ortaya çıkan yeni özellikleri belirlemede kritik öneme sahip bir rol oynadığını göstermiştir. Örneğin grafen yapılırken, mükemmel bir şekilde hizalanmış olan kristal kafesler ile izolasyonlu bor nitrürün üstüne yerleştirildiğinde, grafen bir bant boşluğu geliştirir. Sıfır olmayan açılarda, bant boşluğu kaybolur ve intrinsik grafen özellikleri geri kazanılır. Geçtiğimiz Mart ayında MIT'deki araştırmacılar, iki yığılmış grafen katmanının aralarındaki büküm açısı "sihirli açı" olarak adlandırılan 1, 1 dereceye ayarlandığında süperiletkenlik dahil olmak üzere egzotik özellikler sergileyebildiğini keşfettiler.

Dönen yanlış hizalanmış katmanları olan yapıları imal etmek için önceki yaklaşımlarda, açı montaj işlemi sırasında ayarlanmıştır. Bu, cihaz yapıldıktan sonra, özelliklerinin sabit olduğu anlamına geliyordu. Dean, "Bu yaklaşımı hayal kırıklığına uğratıyorduk, çünkü uyumdaki çok küçük hatalar tamamen farklı sonuçlar verebilir, " diyor. “Katmanlarını sürekli olarak döndürürken özelliklerini incelediğimiz bir cihaz yapmak harika olurdu ve soru şu, nasıl yapmalı?”

Columbia araştırmacılarının yanıtı, her katmandaki atomik bağlardan çok daha zayıf olan van der Waals kuvvetleri tarafından bir araya getirilen tabakalar arasındaki ara yüzeyde mevcut olan düşük sürtünme avantajından yararlanmaktı. Katı yağlayıcılar olarak 2-D malzemeleri çok iyi yapan bu düşük sürtünme, istenen bir açıda kontrollü montajı çok zor hale getirir. Columbia grubu, rotasyonu önlemek yerine, rotasyon açısını kasıtlı olarak ve kontrol edilebilir şekilde değiştirebilecekleri bir cihaz yapısı tasarlayarak düşük sürtünme özelliğini kendi avantajlarına kullandı.

Ekip, tekniklerinin ulaştığını göstermek için grafen / boron-nitrür heteroyapıları kullanmıştır. Bu yapılarda, tabakalar kristalografik olarak hizalanmadığında, malzemeler orijinal özelliklerini korurlar (örneğin, grafen yarı-metalik bir karaktere sahip olacaktır), fakat tabakalar hizalandığında, grafen değişme, bir enerji boşluğu açma ve bir yarı iletken. Araştırmacılar, hetero-yapı özelliklerinin bu ince ayarının optik, mekanik ve elektronik yanıtlarını etkilediğini gösterdi.

Bu çalışmayı Columbia'da doktora sonrası araştırmacı olarak yöneten Rebeca Ribeiro, “Grafen'de gözlemlenen enerji boşluğunun ayarlanabileceğini ve sadece katmanların yönünü değiştirerek talep üzerine açılıp kapatılabileceğini gösterdik” diyor. şu anda Fransız Nanobilim ve Nanoteknoloji Merkezi'nde (C2N-CNRS) bir CNRS araştırma bilimcisidir. "Bu enerji boşluğunun ayarlanması sadece çeşitli uygulamalarda grafenin gelecekteki kullanımına yönelik önemli bir adımı değil, aynı zamanda 2 boyutlu malzemelerin cihaz özelliklerinin rotasyonla önemli ölçüde değiştirildiği genel bir gösteriyi de sağlar"

Teknolojik açıdan bakıldığında, büküm açısını değiştirerek katmanlı bir malzemenin özelliklerinin ayarlanması, tek bir malzeme platformunun çeşitli işlevleri yerine getirme olasılığını sağlar. Örneğin, elektronik devreler metalik iletkenler, izolatörler, yarı iletkenler ve manyetik malzemeler dahil olmak üzere sınırlı sayıda bileşenden üretilmiştir. Bu süreç çeşitli farklı malzemelerin entegrasyonunu gerektirir ve önemli bir mühendislik sorunu oluşturabilir. Aksine, bu bileşenlerin her birini gerçekleştirmek için yerel olarak "bükülebilen" tek bir malzeme, önemli yeni mühendislik fırsatlarına olanak sağlayabilir.

Ek olarak, bir sistemi mekanik büküm ile dinamik olarak ayarlama özelliği, tamamen yeni cihaz uygulamalarına olanak tanıyan yeni bir anahtarlama özelliği sunar. Örneğin, geleneksel anahtarlar tipik olarak iki iyi tanımlanmış durum arasında farklılık gösterir (açık veya kapalı, manyetik veya değil). Columbia platformu, rasgele sayıdaki tamamlayıcı devletler arasında geçiş yapma imkanını sağlayabilir.

Dean ve Hone şimdi, yeni tekniklerin özelliklerini, köşeli hizalama ile ayarlanabilen 2-D malzemelerin diğer kombinasyonlarını incelemek için kullanıyorlar. Özellikle son zamanlarda bükülmüş iki tabakalı grafende süperiletkenlik keşfine bakıyorlar ve keyfi 2 boyutlu materyallerden yapılmış bükülmüş çift katmanlıların genel bir özelliği olup olmadığını araştırıyorlar.

Dean ekliyor: "Çalışmamız yeni bir serbestlik derecesi, yani geleneksel yarıiletken heteroyapılarda bulunmayan, tabakalar arasında rotasyonel yönelimi gösterir. Bu, yeni bir yol açtığımız yarı iletken alandaki nadir bir durumdur ve Yapının bükülmesiyle malzeme özelliklerinin basitçe değişebileceği yepyeni bir araştırma alanına kapı. "

Çalışmanın adı "Dinamik olarak döndürülebilir heterostrüktürlere sahip, bükülebilir elektronik parçalar".

menu
menu