曼徹斯特大學(xué)的一組國際研究人員揭示了一種新方法，可以微調(diào)原子薄層之間的角度——“扭曲”——形成稱為范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的奇異人造納米器件——并有助于加速下一代電子產(chǎn)品的發(fā)展.

團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人 Mishchenko 教授解釋說，這項(xiàng)新技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)原位動態(tài)旋轉(zhuǎn)和操縱層疊在彼此之上的二維材料，以形成范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)構(gòu)——具有不尋常特性和令人興奮的新現(xiàn)象的納米級器件。

扭曲角的調(diào)整控制著二維材料中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和電子相互作用——這種過程被稱為“扭曲電子學(xué)”，是近年來物理學(xué)中一個新興的研究課題。這項(xiàng)由曼徹斯特領(lǐng)導(dǎo)的新研究將于今天發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上。

“我們的技術(shù)使扭曲的范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有動態(tài)可調(diào)的光學(xué)、機(jī)械和電子特性。” 這部作品的主要作者楊亞平解釋道。

Yaping Yang 補(bǔ)充說：“例如，這種技術(shù)可用于二維晶體的自主機(jī)器人操作以構(gòu)建范德瓦爾斯超晶格，這將允許準(zhǔn)確定位、旋轉(zhuǎn)和操作二維材料以制造具有所需材料的材料。扭曲角，以微調(diào)范德華材料的電子和量子特性。”

二維晶體的相互扭曲層導(dǎo)致莫爾圖案的形成，其中母體二維晶體的晶格形成超晶格。這種超晶格可以完全改變系統(tǒng)中電子的行為，導(dǎo)致觀察到許多新現(xiàn)象，包括強(qiáng)電子關(guān)聯(lián)、分形量子霍爾效應(yīng)和超導(dǎo)性。

該團(tuán)隊(duì)通過成功制造異質(zhì)結(jié)構(gòu)來展示這項(xiàng)技術(shù)，其中石墨烯與六方氮化硼的頂部和底部封裝層(被稱為“白色石墨烯” )完美對齊，在兩個界面形成雙莫爾超晶格。

正如發(fā)表在Science Advances 上的那樣，該技術(shù)由目標(biāo)二維晶體上的聚合物抗蝕劑貼片和聚合物凝膠操縱器介導(dǎo)，可以精確、動態(tài)地控制二維材料的旋轉(zhuǎn)和定位。

“我們的技術(shù)有可能將扭曲電子技術(shù)引入低溫測量系統(tǒng)，例如，通過使用顯微操縱器或微機(jī)電設(shè)備，”Artem Mishchenko 補(bǔ)充道。

研究人員使用帶有聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 液滴的載玻片作為操縱器，將其固化并自然成形為半球幾何形狀。與此同時，他們有意通過標(biāo)準(zhǔn)電子束光刻在目標(biāo)二維晶體的頂部沉積了外延聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA) 貼片。

在異質(zhì)結(jié)構(gòu)中操作目標(biāo)薄片的步驟很容易遵循。通過降低聚合物凝膠手柄，PDMS 半球與 PMMA 貼片接觸。當(dāng)它們相互接觸時，人們可以輕松地移動或旋轉(zhuǎn)底部薄片表面上的目標(biāo)二維晶體。二維薄片的這種平滑運(yùn)動是基于兩種晶體結(jié)構(gòu)之間的超潤滑性。

超潤滑是一種現(xiàn)象，其中原子平面之間的摩擦根據(jù)某些條件消失。

即使在異質(zhì)結(jié)構(gòu)組裝之后，操縱技術(shù)也能夠連續(xù)調(diào)整層之間的扭曲角。人們可以根據(jù)需要將外延 PMMA 貼片設(shè)計(jì)成任意形狀，通常采用適合目標(biāo)薄片的幾何形狀。該操作技術(shù)方便且可重復(fù)，因?yàn)?PMMA 貼片可以很容易地被丙酮洗掉并通過光刻重新圖案化。

通常，對于精心制作的 PDMS 半球，半球與二維晶體之間的接觸面積取決于半球半徑，并且對接觸力高度敏感，因此難以精確控制目標(biāo)二維晶體的運(yùn)動.

“外延PMMA貼片在操縱技術(shù)中起著至關(guān)重要的作用。我們的技巧在于聚合物凝膠操縱器的接觸面積精確地限制在外延聚合物層的圖案形狀上。這是實(shí)現(xiàn)精確控制的關(guān)鍵操縱，允許施加更大的控制力。” 合著者之一李繼東說。

與其他二維材料操作技術(shù)相比，例如使用原子力顯微鏡 (AFM) 尖端推動具有專門制造的幾何形狀的晶體，原位扭曲電子技術(shù)是非破壞性的，并且可以操作薄片，而不管薄片的厚度如何，而AFM 尖端僅適用于厚薄片，可能會破壞薄薄片。

石墨烯和六方氮化硼的完美排列展示了該技術(shù)在扭曲電子學(xué)應(yīng)用中的潛力。

使用原位技術(shù)，研究人員成功地旋轉(zhuǎn)了氮化硼/石墨烯/氮化硼異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的二維層，以實(shí)現(xiàn)所有層之間的完美對齊。結(jié)果表明在異質(zhì)結(jié)構(gòu)的兩個界面處形成了雙莫爾超晶格。此外，研究人員還觀察到二階(復(fù)合)波紋的特征;雙波紋產(chǎn)生的圖案;超晶格。

這種具有完美對齊的石墨烯和氮化硼的異質(zhì)結(jié)構(gòu)展示了扭曲電子學(xué)中操縱技術(shù)的潛力。

“該技術(shù)可以很容易地推廣到其他二維材料系統(tǒng)，并允許在任何遠(yuǎn)離相稱制度的二維系統(tǒng)中進(jìn)行可逆操作，”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)工作的 Yaping Yang 說。

Mishchenko 教授補(bǔ)充說：“我們相信我們的技術(shù)將開辟器件工程的新策略，并在二維準(zhǔn)晶體、魔角平帶和其他拓?fù)浞瞧椒蚕到y(tǒng)的研究中找到其應(yīng)用。”

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