L'empilement vertical de matériaux bidimensionnels (2D) pour former des homo- ou hétéro-structures de Van der Waals est devenu un moyen efficace pour réguler leurs propriétés physiques et mécaniques. En particulier, lorsqu'un petit angle de torsion est présent au niveau de l'interface empilée, les structures 2D montrent souvent de nombreux phénomènes physiques intéressants, voire magiques, en raison du couplage intercouche unique.

Dans le cas du graphène bicouche avec un petit angle de torsion, l'interface torsadée subira une reconstruction atomique spontanée en raison de la compétition entre l'énergie d'empilement intercouche et l'énergie de déformation élastique intracouche. Cette structure empilée spéciale peut conduire à de nombreux phénomènes inattendus, notamment l'état isolant de Mott, la supraconductivité non conventionnelle et le ferromagnétisme spontané.

Récemment, il a été découvert que des interfaces torsadées peuvent non seulement apparaître dans la couche superficielle, mais peuvent également être intégrées à l'intérieur des structures de Van der Waals, ce qui peut conduire à des comportements physiques plus riches. Pour ces architectures 2D intéressantes, leurs propriétés physiques sont très sensibles à l'état d'empilement des couches internes et des interfaces.

Malheureusement, la caractérisation précise de la structure d’empilement embarquée reste un défi de taille. De plus, la question de savoir si les interfaces torsadées intégrées subiraient également une reconstruction atomique et quels impacts la reconstruction pourrait avoir sur les couches atomiques voisines ainsi que sur l'ensemble des unités empilées sont scientifiquement intrigantes et restent inexplorées.

Pour répondre à ces questions, le groupe du professeur Qunyang Li de l'université Tsinghua et le groupe du professeur Ouyang Wengen de l'université de Wuhan ont développé une nouvelle méthode basée sur la microscopie conductrice à force atomique (c-AFM) pour caractériser et reconstruire l'état d'empilement interne d'un matériau en couches torsadées par de simples mesures de conductivité superficielle. Les travaux connexes ont été publiés dans National Science Review. .

Leurs résultats expérimentaux ont montré que les interfaces torsadées peuvent encore subir une reconstruction atomique et affecter notamment la conductivité de surface même lorsqu'elles sont intégrées à 10 couches atomiques sous la surface. Pour mieux comprendre la structure atomique du système multicouche torsadé, un système de graphène multicouche similaire aux échantillons expérimentaux a été construit dans un modèle de simulation de dynamique moléculaire (MD) en considérant avec précision les interactions intercouches.

Les résultats de la simulation ont révélé que pour les interfaces tordues à petit angle intégrées à l’intérieur du matériau, une reconstruction atomique peut effectivement se produire et favoriser la déformation rotationnelle dans le plan des couches de graphène adjacentes. Cependant, la déformation rotationnelle atomique de la couche de graphène diminue progressivement à mesure que l'on s'éloigne de l'interface torsadée.

Sur la base des structures atomiques révélées dans les simulations MD, le groupe de recherche a proposé un modèle de résistance à la propagation en série (modèle SSR) pour quantifier l'influence de l'état d'empilement du système multicouche torsadé sur sa conductivité de surface.

Le nouveau modèle permet d'établir directement une corrélation entre la conductivité de surface et la structure d'empilement interne, ce qui est applicable même pour les échantillons multicouches torsadés présentant des défauts cristallins complexes (par exemple, des dislocations). Ce travail fournit un moyen simple, pratique et à haute résolution pour caractériser les structures d'empilement internes des matériaux en couches torsadées, ce qui est crucial pour les études fondamentales des structures empilées 2D et le développement de l'électronique torsadée émergente.

Plus d'informations : Huan Wang et al, Déduction des interfaces internes du graphène multicouche torsadé via une conductivité de surface régulée par moiré, National Science Review (2023). DOI : 10.1093/nsr/nwad175

Fourni par Science China Press