Un groupe de chercheurs internationaux de l'Université de Manchester a révélé une nouvelle méthode qui pourrait affiner l'angle - "la torsion" - entre les couches minces atomiques qui forment des nanodispositifs exotiques artificiels appelés hétérostructures de van der Waals - et aider à accélérer la prochaine génération d'électronique .

La nouvelle technique permet d'obtenir une rotation et une manipulation dynamiques in situ de matériaux 2D superposés pour former des hétérostructures de van der Waals, des dispositifs à l'échelle nanométrique dotés de propriétés inhabituelles et de nouveaux phénomènes passionnants, a expliqué le chef d'équipe, le professeur Mishchenko.

Le réglage de l'angle de torsion contrôle la topologie et les interactions électroniques dans les matériaux 2D - et un tel processus, appelé « twstronics », est un sujet de recherche en plein essor en physique ces dernières années. La nouvelle étude dirigée par Manchester sera publiée dans Avancées scientifiques aujourd'hui.

"Notre technique permet d'obtenir des hétérostructures de van der Waals torsadées avec des optiques réglables dynamiquement, mécanique, et les propriétés électroniques." a expliqué Yaping Yang, l'auteur principal de cet ouvrage.

Yaping Yang a ajouté :« Cette technique, par exemple, pourrait être utilisé dans la manipulation robotique autonome de cristaux bidimensionnels pour construire des super-réseaux de van der Waals, qui permettrait un positionnement précis, rotation, et la manipulation de matériaux 2D pour fabriquer des matériaux avec les angles de torsion souhaités, pour affiner les propriétés électroniques et quantiques des matériaux de van der Waals."

La torsion des couches de cristaux 2D les unes par rapport aux autres entraîne la formation d'un motif moiré, où les réseaux des cristaux 2-D parents forment un superréseau. Ce super-réseau peut changer complètement le comportement des électrons dans le système, conduisant à l'observation de nombreux phénomènes nouveaux, y compris de fortes corrélations électroniques, effet Hall quantique fractal, et supraconductivité.

L'équipe a démontré cette technique en fabriquant avec succès des hétérostructures où le graphène est parfaitement aligné avec les couches d'encapsulation supérieure et inférieure de nitrure de bore hexagonal - surnommé « graphène blanc » - créant des super-réseaux à double moiré aux deux interfaces.

Tel que publié dans Avancées scientifiques , la technique est médiée par un patch de résine polymère sur des cristaux 2-D cibles et un manipulateur de gel polymère, qui peut contrôler précisément et dynamiquement la rotation et le positionnement des matériaux 2D.

"Notre technique a le potentiel d'intégrer la twistronique dans les systèmes de mesure cryogéniques, par exemple, en utilisant des micromanipulateurs ou des dispositifs micro-électromécaniques », a ajouté Artem Mishchenko.

Les chercheurs ont utilisé une lame de verre avec une goutte de polydiméthylsiloxane (PDMS) comme manipulateur, qui est durci et façonné naturellement dans une géométrie d'hémisphère. En attendant, ils ont intentionnellement déposé un patch épitaxié de polyméthacrylate de méthyle (PMMA) au-dessus d'un cristal 2-D cible par une lithographie standard par faisceau d'électrons.

Les étapes pour manipuler les flocons cibles dans une hétérostructure sont faciles à suivre. En abaissant la poignée en gel polymère, L'hémisphère PDMS est mis en contact avec le patch PMMA. Quand ils se touchent, on peut facilement déplacer ou faire pivoter les cristaux 2-D cibles sur la surface du flocon inférieur. Un mouvement aussi fluide des flocons 2-D est basé sur la superlubrification entre les deux structures cristallines.

La superlubrification est un phénomène où le frottement entre des surfaces atomiquement plates disparaît en fonction de certaines conditions.

La technique de manipulation permet un réglage continu de l'angle de torsion entre les couches même après l'assemblage de l'hétérostructure. On peut concevoir le patch PMMA épitaxié dans une forme arbitraire à la demande, prenant normalement la géométrie qui correspond au flocon cible. La technique de manipulation est pratique et reproductible puisque le patch en PMMA peut être facilement lavé à l'acétone et restructuré par lithographie.

Normalement, pour un hémisphère PDMS soigneusement fabriqué, la surface de contact entre l'hémisphère et un cristal 2-D dépend du rayon de l'hémisphère et est très sensible à la force de contact, rendant difficile le contrôle précis du mouvement du cristal 2-D cible.

"Le patch PMMA épitaxié joue un rôle crucial dans la technique de manipulation. Notre astuce réside dans le fait que la zone de contact du manipulateur de gel polymère est limitée précisément à la forme à motifs de la couche polymère épitaxiale. C'est la clé pour réaliser un contrôle précis de la manipulation, permettant à une force de contrôle beaucoup plus grande d'être appliquée", a déclaré Jidong Li, l'un des co-auteurs.

Par rapport à d'autres techniques de manipulation de matériaux 2D, comme l'utilisation de pointes de microscope à force atomique (AFM) pour pousser un cristal avec une géométrie spécialement fabriquée, la technique de twistronique in situ est non destructive et permet de manipuler les éclats quelle que soit leur épaisseur, alors qu'une pointe AFM ne fonctionne mieux que pour les flocons épais et peut détruire les minces.

L'alignement parfait du graphène et du nitrure de bore hexagonal démontre le potentiel de la technique dans les applications de twistronique.

En utilisant la technique in situ, les chercheurs ont réussi à faire pivoter des couches 2D dans une hétérostructure nitrure de bore/graphène/nitrure de bore pour réaliser un alignement parfait entre toutes les couches. Les résultats démontrent la formation de doubles super-réseaux moirés aux deux interfaces de l'hétérostructure. En outre, les chercheurs ont observé la signature du moiré-aigu de second ordre (composite); motif généré par le double moiréaigu; super-réseaux.

Cette hétérostructure au graphène et au nitrure de bore parfaitement alignés démontre le potentiel de la technique de manipulation en twistronique.

"La technique peut être facilement généralisée à d'autres systèmes de matériaux 2D et permet une manipulation réversible dans tous les systèmes 2D loin du régime correspondant", dit Yaping Yang, qui a réalisé le travail expérimental.

Le professeur Mishchenko a ajouté :« Nous pensons que notre technique ouvrira une nouvelle stratégie dans l'ingénierie des dispositifs et trouvera ses applications dans la recherche de quasicristaux 2D, bandes plates à angle magique, et d'autres systèmes topologiquement non triviaux."