可调节的石墨烯晶体对称性使纳米机电传感器成为可能

时间:2019-11-22 13:30 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

可调节的石墨烯晶体对称性使纳米机电传感器成为可能


  氮化硼(BN)层在石墨烯层上下的受控旋转引入了共存的莫尔超晶格,该超晶格的尺寸、对称性和复杂性随角度的变化而变化。在这个系统中,哥伦比亚大学的研究人员通过将氮化硼在石墨烯上机械旋转,使其与底部BN平板对齐,实现了对单层石墨烯在单个设备中的带结构的前所未有的控制。资料来源:Nathan Finney和Sanghoon Chae/哥伦比亚工程公司

  哥伦比亚大学的研究人员发明了一种新的方法来调整2D材料的性能,通过调整它们之间的扭转角;技术使纳米机电传感器的开发成为可能,并在天文学、医学、搜索和救援等领域得到应用。

  James Hone(机械工程)和Cory Dean(物理)的实验室最近的一项研究证明了一种新的方法来调整二维(2D)材料的属性,只需调整它们之间的扭转角。研究人员制造了由单层石墨烯封装在两颗氮化硼晶体之间构成的装置,通过调整各层之间的相对扭转角,他们能够创造出多种云纹图案。

  莫尔条纹是凝聚态物理学家和材料科学家非常感兴趣的,他们利用莫尔条纹来改变或产生新的电子材料性质。这些图案可以通过排列氮化硼(BN,一种绝缘体)和石墨烯(一种半金属)晶体来形成。当这些蜂窝状的原子晶格接近排列时,它们就会形成一个莫尔超晶格,这是一种纳米尺度的干涉图样,看上去也像蜂窝。这种云纹超晶格改变了石墨烯中导电电子的量子力学环境,因此可以用来对石墨烯中观察到的电子性质进行重大改变。

  迄今为止,大多数关于石墨烯- bn体系中莫尔超晶格效应的研究都着眼于单一界面(只考虑石墨烯的上表面或下表面,而不考虑两者)。然而,去年由Hone和Dean发表的一项研究表明,在一个设备中完全控制两个接口中的一个是可能的。

  通过设计一个在一个界面上具有持久对齐、在另一个界面上具有可调对齐的设备,哥伦比亚团队现在已经能够研究多重云纹超晶格势对石墨烯层的影响。

  “我们决定看一下这两个顶部和底部表面的石墨烯在单个纳米机械设备,”内森•芬尼说,博士生在磨练的实验室和co-lead-author纸,在线发表在9月30日2019年11月自然纳米技术和现在的封面故事打印版。“我们有一种直觉,通过这样做,我们可以利用从顶部和底部界面上共存的云纹超晶格,将云纹超晶格的强度提高一倍。”

  研究小组发现,通过扭转石墨烯层的角度,他们可以控制云纹超晶格的强度及其整体对称性,这可以从观察到的石墨烯电子性质的显著变化中推断出来。

  在接近准直的角度,出现了一个高度改变的石墨烯带结构,在形成共存的非重叠的长波长云纹图案时可以观察到。在完美排列时,石墨烯的电子间隙要么被强烈增强,要么被抑制,这取决于顶部可旋转BN是被扭曲了0度还是60度。这些电子间隙的变化对应了两种排列形态的对称性的预期变化——0度的反转对称性被打破,60度的反转对称性被恢复。

  芬尼指出:“这是第一次有人看到同时存在的莫尔超晶格完全依赖于旋转。”“这种对对称和云纹超晶格强度的控制程度可以普遍应用于我们现有的所有2D材料。这项技术使纳米机电传感器的发展成为可能,并将应用于天文学、医学、搜索和救援等领域。”

  研究人员现在正在改进一种能力,使之能够扭曲广泛的二维材料的单分子层,以研究超导性、拓扑感应铁磁性和非线性光学响应等奇异效应,这些效应在缺乏反转对称性的系统中存在。

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