อิเล็กทรอนิกส์แบบ Twisted เปิดประตูไปสู่วัสดุ 2 มิติแบบปรับได้

Anonim

วัสดุสองมิติ (2 มิติ) เช่น graphene มีคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิคส์สมบัติทางแสงและเชิงกลที่เป็นเอกลักษณ์ซึ่งจะช่วยผลักดันนวัตกรรมในด้านต่างๆตั้งแต่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ไปจนถึงพลังงานจนถึงวัสดุ นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยโคลัมเบียรายงานว่าจะสามารถสร้างปฏิวัติสนามซึ่งเป็นอุปกรณ์แบบ "twistronic" ซึ่งลักษณะของมันสามารถเปลี่ยนแปลงได้โดยเพียงแค่เปลี่ยนมุมระหว่างชั้น 2 มิติที่ต่างกันสองชั้นวางอยู่ด้านบน

ในบทความที่ตีพิมพ์ทางออนไลน์ในวันนี้ ทาง Science ทีมงานได้สาธิตโครงสร้างอุปกรณ์ใหม่ ๆ ที่ไม่เพียงช่วยให้สามารถควบคุมทิศทางเชิงมุมได้ในอุปกรณ์ twisted-layer เท่านั้น แต่ยังช่วยให้พวกเขาสามารถปรับเปลี่ยนมุมมองนี้ในที่ตั้งได้เพื่อให้ผลของการบิด มุมมองเกี่ยวกับคุณสมบัติทางอิเลคทรอนิกส์ออปติคัลและเชิงกลสามารถศึกษาได้ในเครื่องเดียว

นำโดย Cory Dean (ฟิสิกส์มหาวิทยาลัยโคลัมเบีย) และ James Hone (วิศวกรรมเครื่องกล, Columbia Engineering) ทีมงานสร้างขึ้นจากเทคนิคที่พวกเขาเคยบุกเบิกเพื่อทำเป็นชั้น graphene และวัสดุ 2 มิติแบบอื่น ๆ เพื่อสร้างใหม่ โครงสร้าง "กระบวนการประกอบชิ้นส่วนเชิงกลนี้ช่วยให้เราสามารถผสมและจับคู่คริสตัลต่าง ๆ เพื่อสร้างวัสดุใหม่ ๆ โดยทั่วไปมักมีคุณสมบัติที่แตกต่างจากชั้นส่วนประกอบ" นายฮันหัวหน้าศูนย์วิจัยและวิศวกรรมวัสดุของโคลัมเบีย (MRSEC) ซึ่งทำการสำรวจสมบัติดังกล่าว ของ heterostructures เหล่านี้ "ด้วยวัสดุ 2 มิติจำนวนมากที่มีอยู่การออกแบบจึงมีมากมายมหาศาล"

การศึกษาล่าสุดแสดงให้เห็นว่าการจัดตำแหน่งแบบหมุนระหว่างชั้นมีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งในการกำหนดคุณสมบัติใหม่ ๆ ที่เกิดขึ้นเมื่อวัสดุรวมกัน ตัวอย่างเช่นเมื่อทำการ graphene วางอยู่บนฉนวนโบรอนไนไตรด์ด้วยตะแกรงคริสตัลที่เรียงตัวกันอย่างสมบูรณ์ graphene จะพัฒนาช่องว่างของแถบ ที่มุมที่ไม่เป็นศูนย์ช่องว่างของวงดนตรีจะหายไปและคุณสมบัติของ graphene ที่แท้จริงจะได้รับการกู้คืน เมื่อเดือนมีนาคมที่ผ่านมานักวิจัยจาก MIT ได้ค้นพบว่าชั้น graphene สองชั้นที่ซ้อนกันสามารถแสดงคุณสมบัติที่แปลกใหม่รวมทั้งการเป็นตัวนำยิ่งยวดเมื่อมุมบิดอยู่ระหว่าง 1.1 องศาเรียกว่า "มุมวิเศษ"

ในแนวทางก่อนหน้านี้ในการสร้างโครงสร้างที่มีชั้นแบบไม่เรียงตามแนวแกนหมุนมุมถูกกำหนดในระหว่างขั้นตอนการประกอบ นั่นหมายความว่าเมื่ออุปกรณ์ได้ทำคุณสมบัติของมันได้รับการแก้ไข คณบดีกล่าวว่า "เราพบว่าวิธีนี้น่าหงุดหงิดเนื่องจากข้อผิดพลาดเล็ก ๆ น้อย ๆ ในการจัดแนวอาจให้ผลลัพธ์ที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง "มันเป็นการดีที่จะทำให้อุปกรณ์ที่เราสามารถศึกษาคุณสมบัติของมันในขณะที่หมุนชั้นอย่างต่อเนื่องและคำถามก็คือวิธีการทำเช่นนี้?"

คำตอบที่นักวิจัยของโคลัมเบียตระหนักคือการใช้ประโยชน์จากแรงเสียดทานต่ำที่มีอยู่ที่ส่วนติดต่อระหว่างชั้นซึ่งจัดขึ้นร่วมกันโดยกองกำลัง Van der Waals ที่อ่อนแอกว่าพันธะอะตอมภายในแต่ละชั้น แรงเสียดทานต่ำนี้ทำให้วัสดุ 2 มิติมีคุณสมบัติเป็นสารหล่อลื่นที่เป็นของแข็งทำให้การประกอบชิ้นส่วนควบคุมทำได้ยากมาก กลุ่มโคลัมเบียใช้แรงเสียดทานต่ำเพื่อประโยชน์ของพวกเขาโดยการออกแบบโครงสร้างอุปกรณ์ที่ซึ่งแทนการป้องกันการหมุนพวกเขาได้ตั้งใจและควบคุมได้แตกต่างกันไปมุมการหมุน

ทีมใช้ graphene / boron-nitride heterostructures เพื่อแสดงถึงการเข้าถึงของเทคนิคของพวกเขา วัสดุเหล่านี้จะคงคุณสมบัติเดิมไว้ (เช่น graphene จะมีลักษณะเป็นกึ่งโลหะ) แต่เมื่อมีการจัดแนวชั้นคุณสมบัติของการเปลี่ยนแปลงของกราไฟท์จะทำให้เกิดช่องว่างด้านพลังงานและมีพฤติกรรมเป็น เซมิคอนดักเตอร์ นักวิจัยได้แสดงให้เห็นว่าการปรับคุณสมบัติใหม่นี้จะส่งผลต่อการตอบสนองทางออปติคัลเชิงกลและอิเล็กทรอนิกส์

"เราแสดงให้เห็นว่าช่องว่างด้านพลังงานที่สังเกตได้ใน graphene สามารถปรับได้และสามารถเปิดหรือปิดตามความต้องการได้โดยการเปลี่ยนการวางแนวระหว่างชั้น" Rebeca Ribeiro ผู้ซึ่งนำงานวิจัยดังกล่าวเป็นนักวิจัยหลังปริญญาเอกที่ Columbia และ ปัจจุบันเป็นนักวิจัยด้าน CNRS จากศูนย์นาโนเทคโนโลยีและนาโนเทคโนโลยีของฝรั่งเศส (C2N-CNRS) "การปรับช่องว่างด้านพลังงานนี้ไม่เพียง แต่หมายถึงขั้นตอนสำคัญในการใช้ graphene ในอนาคตในการใช้งานที่แตกต่างกัน แต่ยังมีการสาธิตโดยทั่วไปซึ่งคุณสมบัติของอุปกรณ์ 2 มิติจะแตกต่างกันไปอย่างมากกับการหมุน"

จากมุมมองด้านเทคโนโลยีความสามารถในการปรับแต่งสมบัติของวัสดุชั้นโดยการเปลี่ยนมุมบิดให้เป็นไปได้ว่าแพลตฟอร์มวัสดุชิ้นเดียวจะทำหน้าที่หลากหลายได้ ตัวอย่างเช่นวงจรอิเล็กทรอนิกส์สร้างขึ้นจากจำนวน จำกัด ของส่วนประกอบรวมทั้งตัวนำโลหะตัวฉนวนเซมิคอนดักเตอร์และวัสดุแม่เหล็ก กระบวนการนี้ต้องการการผสมผสานของวัสดุที่หลากหลายและอาจเป็นความท้าทายด้านวิศวกรรมที่สำคัญ ในทางตรงกันข้ามวัสดุเดียวที่สามารถ "บิด" ในท้องถิ่นเพื่อให้เห็นถึงส่วนประกอบเหล่านี้จะช่วยให้โอกาสทางวิศวกรรมที่สำคัญใหม่ ๆ

นอกจากนี้ความสามารถในการปรับแต่งระบบด้วยการบิดแบบไดนามิกยังมีความสามารถในการเปลี่ยนใหม่ซึ่งจะช่วยให้สามารถใช้แอพพลิเคชันอุปกรณ์ใหม่ได้อย่างสมบูรณ์ ตัวอย่างเช่นสวิทช์แบบดั้งเดิมมักจะแตกต่างกันระหว่างสองรัฐที่กำหนดไว้อย่างดี (เปิดหรือปิดแม่เหล็กหรือไม่เป็นต้น) แพลตฟอร์มโคลัมเบียสามารถเปิดใช้งานความเป็นไปได้ในการสลับไปมาระหว่างรัฐอิสระจำนวนหนึ่ง ๆ

Dean และ Hone กำลังใช้เทคนิคใหม่เพื่อศึกษาชุดค่าผสมอื่น ๆ ของวัสดุ 2 มิติซึ่งสามารถปรับคุณสมบัติด้วยการจัดตำแหน่งเชิงมุม พวกเขากำลังค้นหาโดยเฉพาะอย่างยิ่งในการค้นพบล่าสุดของการเป็นตัวนำยิ่งยวดใน graphene bilayer บิดและการสำรวจว่าอาจเป็นลักษณะทั่วไปของ bilayer แบบ twisted ที่ทำจากวัสดุ 2 มิติแบบพละกำลัง

คณบดีกล่าวเสริมว่า "การศึกษาของเราแสดงให้เห็นถึงระดับใหม่ของเสรีภาพนั่นคือการหมุนเวียนระหว่างชั้นซึ่งไม่มีอยู่ใน heterostructures เซมิคอนดักเตอร์แบบเดิมนี่เป็นโอกาสที่หายากในด้านเซมิคอนดักเตอร์ซึ่งเรากำลังสร้างเส้นทางใหม่และเปิดขึ้น ประตูสู่เขตใหม่ของการวิจัยที่คุณสมบัติของวัสดุที่สามารถจะแตกต่างกันเพียงแค่บิดโครงสร้าง.

การศึกษาเรื่องนี้มีชื่อว่า "อุปกรณ์ไฟฟ้าแบบ Twistable ที่มีโครงสร้างแบบหมุนได้แบบไดนามิก"

menu
menu