صفحه اصلی > نمایشگاه > محتوای

سحر و جادو زاویه پیچ خورده گرافن دو لایه

Aug 20, 2020

مواد الکترونیکی نوعی مواد با خواص الکتریکی ارزشمند هستند. آنها پیشرفت فیزیک ماده متراکم را با نشان دادن حالت های کوانتومی که قبلا ناشناخته بود از مواد، از ابررساناها گرفته تا عایق های توپولوژیک ترویج می کنند. در واقع خواص ایالات الکترونیکی به چگالی الکترون و استحکام برهم کنش الکترون بستگی دارد. در سال ۲۰۱۸ همان طور که پیش بینی می شد [۱]، محققان دریافتند که ساختاری به نام «گرافن دولایه پیچ خورده زاویه سحر و جادو (matbg) دارای یک باند الکترونیکی باریک است که در آن برهم کنش الکترون بسیار مهم است [۲]. ماتبگ متعلق به نوعی سکوی مواد فراطبیعی است. ماتبگ با تنظیم چگالی الکترون خود در جا می تواند بین حالت عایق و حالت ابررسانا سوئیچ کند [۳]. به تازگی استپانوف و همکاران [4] و آرورا و همکاران [5] مقاله ای در طبیعت منتشر کردند که قدرت برهم کنش الکترونی ماتبگ را می توان توسط محیط دی تریک (عایق) طراحی شده ویژه تحت شرایط چگالی ثابت الکترون تنظیم کرد.

در اصل راه های زیادی برای تنظیم چگالی الکترونی مواد وجود دارد، مانند معرفی impurities (که با نام "dopants" نیز شناخته می شود) یا استفاده از الکترودهایی به نام "گیتس". با این حال، همه این تغییرات بیش از چگالی الکترون تأثیر می گذارد. به عنوان مثال دوپینگ شیمیایی یک ماده به راحتی می تواند ساختار آن را بی نظم تر کند. علاوه بر این، صرف نظر از دشواری گیت، حتی اگر قابل تحقق باشد، تنها می تواند چگالی الکترون را کمی تغییر دهد. در کل کنترل خواص مختلف ایالت های الکترونیکی به ترتیب در کینماتیک و همبستگی در هنگام تنظیم چگالی الکترون بسیار دشوار است.

در خلاء، قدرت برهم کنش الکترون را می توان با ثابت بودن ساختار ریز ثابت فیزیکی توصیف کرد. با این حال برهم کنش الکترون در یک ماده به شدت تحت تأثیر الکترون های اطراف قرار دارد که غربالگری نیز نامیده می شود. از زمانی که نظریه مایع فرمی [6] (مدلی از برهم کنش الکترون) پیشنهاد شد، نظریه کوانتومی محافظ فلزات و نیمه هادی ها به یکی از فراوان ترین و تصفیه شده ترین جهت های تحقیقاتی در زمینه فیزیک الکترونیکی همبسته تبدیل شده است [7]. این به این دلیل است که ویژگی جهانی بودن و مدل در برهم کنش های الکترونی سپر دار در هم تنیده می شوند.

در بیشتر مواد هدایت لایه ای، چگالی الکترون تنها پارامتر آزمایشی قابل تنظیم برای تغییر قدرت برهم کنش است. لایه هادی معمولاً از یک مدار الکترونی (منطقه فضایی که الکترون ها می توانند در آن وجود داشته باشند) با امتداد فضایی تنها ۱ nm تشکیل شده است. از آنجا که اثر محافظ ذاتی الکترون آن تا حد زیادی تحت تأثیر چگالی الکترون قرار می گیرد، این اثر محافظ اغلب قوی تر از هر اثری است که توسط محیط دی تریک اطراف لایه هادی تولید می شود.

استپانوف و همکارانش. و آرورا و همکارانش. نشان داده اند که شدت برهم کنش الکترون در ماتبگ را می توان تنظیم کرد در حالی که چگالی الکترون بدون تغییر باقی می ماند. ماتبگ شامل دو لایه گرافن (ورق اتم کربن دو بعدی) با شبکه شش ضلعی است. زاویه بین دو لایه حدود ۱٫۱ درجه است. آرایش این اتم ها منجر به ساختار دوره ای به نام حاشیه های مور می شود که در آن مقیاس فضایی سلول (کوچکترین واحد تکرار کننده)، يعنی مقياس فضايی مدار الکترون متناظر با باند باریک الکترون، از ۱۵ نانومتر تجاوز نمی کند (شکل ۱a را ببینید). از آنجا که این اوربیتال ها بسیار بزرگتر از مواد الکترونیکی معمولی هستند، محیط دی تریک ماتبگ می تواند تا حد زیادی بر محافظ الکترون و در نتیجه برهم کنش الکترون تأثیر بگذارد.

این دو تیم از مسیرهای مختلفی برای ساخت دی تریک ماتبگ استفاده کردند. استپانوف و همکارانش ازبور نیتریدلایه به عنوان شکاف بین matbg و لایه محافظ گرافیت (که می تواند الکتریسیته مانند یک فلز هدایت) ، و تغییر ضخامت لایه نیترید بور. آرورا و همکارانش از راه اندازی مشابهی استفاده کردند، اما یک لایه اضافی از دی اکسید تنگستن را بین گرافن و بور نیترید اضافه کردند. اثر تنظیم دی تریک به ویژه در استپانوف و همکارانش آشکار است. در میان آن ها می توان لایه محافظ گرافیت را به عنوان معرفی بار تصویر (بار علامت مختلف بار گرافیت) به ماتبگ در نظر گرفت. اگر ضخامت فاصله نیترید بور کمتر از مقیاس فضایی مدار الکترون شبکه مهر باشد، اثر محافظ بسیار قابل توجه خواهد بود.

در همه این نتایج درک قبلی را زیر سؤال می برند: آیا مشاهده خاص ماتبگ متعلق به نوعی ابررسانایی نامتعارف است یا نه؟ اگرچه هنوز کمی زود است که نتیجه گیری کنیم، اما یک توضیح ساده تر ممکن است معقول تر باشد. این توضیح شامل نظریه های پیرامون اثر فرومغناطیسی مدارهای کوانتومی هال و مکانیسم ابررسانایی معمولی ناشی از جفت شدن فونون الکترون (ارتعاش شبکه)، و شاید مکمل همبستگی الکترون است.

این دستاوردها پتانسیل زیادی برای ترویج پیشرفت تحقیقات اساسی و ایجاد چالش های جدید برای درک مکانیسم دارند. بنابراین تحقیقات مشابهی باید بر روی مواد دیگر انجام شود. نتایج تجربی نمونه های مختلف ماتبگ تفاوت زیادی دارد که منجر به مشکل تکرار پذیری [8] می شود. ممکن است حل این مشکل فوری تر باشد، زیرا ساختار دی تریک انحراف نمونه بزرگتری تولید خواهد کرد. مواد الکترونیکی کوانتومی از نظر تعامل و چگالی در حال کنترل بیشتر و بیشتر می شوند که در حال ابتلا به سکوهای سنتزی مانند رسوب گازهای اتمی فراکلند بر روی لاتیک های نوری است. در نتیجه به زودی قادر خواهیم بود شاهد کشف بزرگ مواد الکترونیکی کوانتومی قابل کنترل خواهیم بود.