L'électronique torsadée ouvre la porte aux matériaux à deux dimensions ajustables

Anonim

Les matériaux bidimensionnels (2D) tels que le graphène ont des propriétés électroniques, magnétiques, optiques et mécaniques uniques qui promettent d'innover dans des domaines allant de l'électronique à l'énergie, en passant par les matériaux et les médicaments. Les chercheurs de l’Université de Columbia rapportent une avancée majeure qui pourrait révolutionner le domaine, un dispositif «twistronique» dont les caractéristiques peuvent être modifiées en faisant simplement varier l’angle entre deux couches à deux dimensions différentes placées les unes sur les autres.

Dans un article publié en ligne aujourd'hui dans Science, l'équipe démontre une nouvelle structure de dispositif qui non seulement leur donne un contrôle sans précédent sur l'orientation angulaire des dispositifs à couche torsadée, mais leur permet également de faire varier cet angle in situ. l'angle sur les propriétés électroniques, optiques et mécaniques peut être étudié dans un seul appareil.

Dirigée par Cory Dean (physique, Université Columbia) et James Hone (génie mécanique, Columbia Engineering), l’équipe s’est appuyée sur des techniques qu’elle avait précédemment mises au point pour superposer mécaniquement du graphène et d’autres matériaux à deux dimensions structures. "Ce processus d'assemblage mécanique nous permet de combiner différents cristaux pour construire des matériaux entièrement nouveaux, souvent avec des propriétés fondamentalement différentes de celles des couches constituantes", explique Hone, leader du Centre de recherche et de génie des matériaux de Columbia. de ces hétérostructures. "Avec des centaines de matériaux 2D disponibles, les possibilités de conception sont énormes."

Des études récentes ont montré que l'alignement rotationnel entre les couches joue un rôle essentiel dans la détermination des nouvelles propriétés qui apparaissent lorsque les matériaux sont combinés. Par exemple, lorsque le graphène conducteur est placé sur le nitrure de bore isolant avec les réseaux cristallins parfaitement alignés, le graphène développe une bande interdite. À des angles non nuls, la bande interdite disparaît et les propriétés intrinsèques du graphène sont récupérées. En mars dernier, des chercheurs du MIT ont rapporté la découverte révolutionnaire selon laquelle deux couches de graphène empilées peuvent présenter des propriétés exotiques, notamment la supraconductivité, lorsque l'angle de torsion entre elles est fixé à 1, 1 degré, appelé «angle magique».

Dans les approches précédentes de fabrication de structures avec des couches mal alignées en rotation, l'angle était défini pendant le processus d'assemblage. Cela signifie qu'une fois le périphérique fabriqué, ses propriétés ont été corrigées. "Nous trouvions cette approche frustrante, car de très petites erreurs d'alignement pourraient donner des résultats totalement différents", explique Dean. "Il serait formidable de fabriquer un appareil dans lequel nous pourrions étudier ses propriétés tout en faisant tourner ses couches en continu. La question était donc de savoir comment procéder?"

Les chercheurs de Columbia ont compris que la réponse consistait à tirer parti du faible frottement existant à l’interface entre les couches, qui sont maintenues entre elles par des forces de van der Waals beaucoup plus faibles que les liaisons atomiques au sein de chaque couche. Ce faible frottement - qui rend les matériaux 2D très bons comme lubrifiants solides - rend très difficile un assemblage contrôlé à un angle souhaité. Le groupe Columbia a utilisé la caractéristique de faible frottement à son avantage en concevant une structure de dispositif dans laquelle, au lieu d'empêcher la rotation, ils pourraient faire varier intentionnellement et de manière contrôlable l'angle de rotation.

L'équipe a utilisé des hétérostructures graphène / nitrure de bore pour démontrer la portée de leur technique. Dans ces structures, lorsque les couches ne sont pas alignées par cristallographie, les matériaux conservent leurs propriétés d'origine (par exemple, le graphène aura un caractère semi-métallique), mais lorsque les couches sont alignées, les propriétés du graphène changent. un semi-conducteur. Les chercheurs ont montré que cette mise au point des propriétés de l'hétérostructure affecte ses réponses optiques, mécaniques et électroniques.

"Notamment, nous avons démontré que le fossé énergétique observé dans le graphène est ajustable et peut être activé ou désactivé à la demande simplement en changeant l'orientation entre les couches", explique Rebeca Ribeiro, qui a dirigé ce travail de chercheur postdoctoral à Columbia et est aujourd'hui chercheur au CNRS au Centre français de nanosciences et nanotechnologies (C2N-CNRS). "Le réglage de cet écart énergétique représente non seulement une étape majeure vers l’utilisation future du graphène dans des applications variées, mais fournit également une démonstration générale dans laquelle les propriétés des dispositifs à deux dimensions varient considérablement avec la rotation"

D'un point de vue technologique, la possibilité d'ajuster les propriétés d'un matériau en couches en faisant varier l'angle de torsion offre la possibilité à une plate-forme matérielle unique d'exécuter diverses fonctions. Par exemple, les circuits électroniques sont constitués d'un nombre fini de composants, notamment des conducteurs métalliques, des isolants, des semi-conducteurs et des matériaux magnétiques. Ce processus nécessite l'intégration de différents matériaux et peut poser un problème d'ingénierie important. En revanche, un matériau unique pouvant être «tordu» localement pour réaliser chacun de ces composants pourrait permettre de nouvelles possibilités d’ingénierie significatives.

De plus, la possibilité de régler dynamiquement un système avec une torsion mécanique offre une nouvelle capacité de commutation qui pourrait permettre des applications entièrement nouvelles. Par exemple, les commutateurs traditionnels varient généralement entre deux états bien définis (activé ou désactivé, magnétique ou non, etc.). La plate-forme Columbia pourrait permettre de basculer entre un nombre arbitraire d'états complémentaires.

Dean et Hone utilisent maintenant leur nouvelle technique pour étudier d'autres combinaisons de matériaux à deux dimensions dans lesquelles les propriétés peuvent être ajustées par alignement angulaire. Ils se penchent particulièrement sur la découverte récente de la supraconductivité dans le graphène bicouche tordu et examinent s'il peut s'agir d'une caractéristique générale des bicouches torsadées fabriquées à partir de matériaux bidimensionnels arbitraires.

Dean ajoute: «Notre étude démontre un nouveau degré de liberté, à savoir l’orientation rotationnelle entre les couches, qui n’existe tout simplement pas dans les hétérostructures conventionnelles à semi-conducteurs. C’est une occasion rare dans le domaine des semi-conducteurs. la porte à un tout nouveau domaine de recherche où les propriétés des matériaux peuvent être modifiées simplement en tordant la structure. "

L’étude s'intitule "Électronique Twistable avec des hétérostructures à rotation dynamique".

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