Les scientifiques des matériaux peuvent contrôler l'angle de torsion intercouche des matériaux pour offrir une méthode puissante pour régler les propriétés électroniques des matériaux de van der Waals bidimensionnels (2-D). Dans de tels matériaux, la conductivité électrique augmentera de manière monotone (constamment) avec la diminution de l'angle de torsion en raison du couplage amélioré entre les couches adjacentes. Dans un nouveau rapport, Shuai Zhang et une équipe de scientifiques en matériaux fonctionnels, ingénierie, nanosystèmes et tribologie, en Chine, ont décrit une configuration pour la conductivité verticale non monotone dépendante de l'angle à travers l'interface du graphène bicouche contenant de faibles angles de torsion. La conductivité verticale s'améliore progressivement avec l'angle de torsion décroissant, cependant, après une nouvelle diminution de l'angle de torsion, la conductivité du matériau chute notablement. Les scientifiques ont révélé le comportement anormal à l'aide de calculs de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT) et de la microscopie à effet tunnel (STM) et ont attribué le résultat à la réduction inhabituelle de la densité moyenne des porteurs provenant de reconstructions atomiques locales. La reconstruction atomique peut se produire en raison de l'interaction entre l'énergie d'interaction de van der Waals et l'énergie élastique à l'interface, menant à des structures fascinantes. L'impact de la reconstruction atomique a été significatif sur la conductivité verticale pour le faible angle, matériaux van der Waals 2D torsadés; fournir une nouvelle stratégie pour concevoir et optimiser leurs performances électroniques.

Réglage des propriétés électroniques des matériaux 2D

Les scientifiques des matériaux ont démontré des méthodes pour faire varier l'angle de torsion intercouche afin de fournir une stratégie efficace pour régler les propriétés électroniques des structures de van der Waals. Des expériences récentes ont révélé comment la conductivité intercouche des structures 2-D de van der Waals telles que les jonctions graphène/graphène ou graphène/graphite diminuait de façon monotone avec un angle de torsion croissant. Les chercheurs peuvent expliquer une telle conductivité intercouche monotone dépendante de l'angle à l'aide d'un mécanisme de transport intercouche médié par les phonons. Outre la conductivité intercalaire, la conductivité verticale peut être sondée par microscopie à force atomique à conductance (c-AFM), où les résultats ont montré des tendances similaires pour divers matériaux 2D avec un grand système de torsion. Des études récentes sur le graphène bicouche torsadé à faible angle (TBG) ont montré les effets des interactions compétitives de van der Waals et de l'élasticité dans le plan qui influencent la reconstruction locale à l'échelle atomique du graphène, pour révéler des propriétés électroniques non conventionnelles telles que la supraconductivité, isolants corrélés et ferromagnétisme spontané. Il est donc scientifiquement intrigant d'étudier la conductivité verticale du graphène bicouche torsadé (TBG) et de comprendre comment il évolue avec l'angle de torsion.

Lors des expérimentations, Zhang et al. ont utilisé un flocon épais de nitrure de bore hexagonal (h-BN) comme substrat et ont cultivé du graphène bicouche en utilisant un dépôt chimique en phase vapeur. Dans ces échantillons, la couche inférieure de graphène forme un film polycristallin continu, tandis que la couche supérieure de graphène est restée une île de graphène monocristallin. Cette structure d'échantillon unique leur a permis d'étudier un grand nombre de domaines de graphène bicouche torsadés avec une large gamme d'angles de torsion. Pendant les mesures AFM conductrices, l'équipe a appliqué une tension de polarisation constante entre la sonde conductrice et le film pour surveiller en permanence le courant dans l'installation. Avec l'angle de torsion décroissant, les scientifiques ont noté une baisse de la conductivité verticale du graphène bicouche torsadé, une caractéristique nettement différente de la conductivité monotone dépendante de l'angle observée dans les enquêtes précédentes.

Exploration de la dépendance anormale de l'angle de torsion dans le graphène bicouche torsadé (TBG)

Pour explorer cette caractéristique inhabituelle, Zhang et al. effectué des mesures sur plus d'échantillons de TBG. Lorsque l'angle de torsion a diminué de 120 degrés à cinq degrés, la conductivité du TBG a augmenté progressivement, conforme aux rapports précédents. Lorsque l'angle de torsion a diminué en dessous de cinq degrés, cependant, l'équipe a noté la réduction inhabituelle de la conductivité. Pour exclure l'influence du substrat de nitrure de bore hexagonal, ils ont transféré le graphène monocouche à la surface du graphite avec un faible angle de torsion contrôlable, et mesuré la conductivité verticale à l'aide du c-AFM (microscopie à force atomique conductrice), d'observer un résultat inhabituel similaire. L'équipe a ensuite effectué des mesures de conductivité avec une résolution plus fine pour examiner l'origine de la diminution anormale de la conductivité, lorsque les angles de torsion étaient inférieurs à cinq degrés.

Pour comprendre la complexité, ils ont caractérisé les structures à l'échelle du moiré et du sous-moiré avec une résolution plus élevée à l'aide d'expériences STM (microscopie à effet tunnel) sur des échantillons de graphène bicouche torsadé avec de faibles angles de torsion (allant de 0,6 degrés, 1,1 degrés à 3,3 degrés). Les super-réseaux moirés sont des structures produites à partir de couches 2D empilées avec un angle de torsion et/ou une désadaptation de réseau. D'après les mesures STM, la densité locale d'états à la surface du graphène bicouche torsadé diminuait lorsque l'angle de torsion passait de 3,3 degrés à 0,6 degrés. Le graphène bicouche est un semi-métal qui peut adopter la "structure empilée AB" ou la rare "structure empilée AA" - qui devraient être très différentes les unes des autres. Dans ce cas, la région à conductivité faible et élevée dans le graphène bicouche torsadé correspondait approximativement aux régions empilées AB-/BA- et AA, respectivement.

Calculs théoriques

Zhang et al. a également effectué des calculs théoriques pour comprendre comment la structure du super-réseau moiré et la reconstruction locale ont conduit à une conductivité verticale anormale. Dans tous les cas, les régions empilées AA ont montré une meilleure conductivité par rapport aux régions empilées AB. L'équipe a quantifié la variation de conductivité avec les angles de torsion, via des simulations, reproduire les observations expérimentales. Les scientifiques ont également étudié la conductivité entre les couches de graphène et de graphène pour comprendre l'origine du comportement de croisement. À l'aide de calculs DFT (théorie fonctionnelle de la densité), ils ont trouvé la présence de régions empilées AA pour améliorer la densité de porteurs locaux, ce phénomène est dû à une plus grande capacité d'accueil des porteurs locaux dans la région d'empilement AA dans la structure de super-réseau moiré.

Perspectives

De cette façon, la propriété de transport vertical du graphène bicouche torsadé (TBG) pourrait être déterminée par deux facteurs :y compris la densité des porteurs de surface et la barrière tunnel intercouche. La haute densité de porteurs et la faible barrière tunnel étaient toutes deux essentielles pour une conductivité élevée. Shuai Zhang et ses collègues ont utilisé le TBG comme exemple et ont découvert que la conductivité verticale des hétérostructures de van der Waals présentait une dépendance non monotone de l'angle de torsion. Lorsque l'angle de torsion atteint un seuil inférieur à 5 degrés, la conductivité verticale a diminué anormalement en raison d'une baisse notable de la densité des porteurs. Les résultats ont souligné l'influence de la reconstruction atomique sur la conductivité verticale dans les interfaces 2D. Le travail offre des conseils pour optimiser les performances électriques du graphène bicouche torsadé et d'autres structures 2D de van der Waals dans le domaine de l'optoélectronique.

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