אלקטרוניקה מעוותת פותחת את הדלת לחומרים דו-כיווניים מתכווננים

��� KumKum Room #9 דוד ארבל Live @ OrganuZ ��� (יולי 2019).

Anonim

דו מימדי (2-D) חומרים כגון גרפן יש ייחודי אלקטרונית, מגנטי, אופטי, תכונות מכניות המבטיחים לנהוג חדשנות בתחומים האלקטרוניקה לאנרגיה חומרים לרפואה. חוקרים מאוניברסיטת קולומביה מדווחים על התקדמות גדולה שעשויה לחולל מהפכה בתחום, מכשיר "twistronic" שמאפייניו ניתנים לשינוי על ידי שינוי הזווית בין שתי שכבות דו-ממדיות שונות המונחות זו על גבי זו.

במאמר שפורסם באינטרנט היום במדע, הצוות מדגים מבנה מכשירים חדשני זה לא רק נותן להם שליטה חסרת תקדים על הכיוון הזוויתי של מכשירים שכבת מעוות, אלא גם מאפשר להם לשנות את הזווית הזאת באתרם, כך את ההשפעות של טוויסט זווית על תכונות אלקטרוניות, אופטיות, מכניות ניתן ללמוד בהתקן אחד.

בהנחיית קורי דין (פיזיקה, אוניברסיטת קולומביה) וג'יימס הון (הנדסה מכאנית, קולומביה הנדסה), הצוות נבנה על טכניקות שהן עשויות קודם לכן לשכבת גראפן מכנית וחומרים דו-ממדיים נוספים, זה על גבי זה, מבנים. "תהליך הרכבה מכני זה מאפשר לנו לערבב ולהתאים גבישים שונים כדי לבנות חומרים חדשים לגמרי, לעתים קרובות עם תכונות שונות מהותית מן השכבות המרכיבים", אומר הון, מנהיג מחקר חומרים של קולומביה למדע והנדסה מרכז (MRSEC), אשר חוקרת את המאפיינים של ההטרו-מבנים האלה. "עם מאות חומרים דו-ממדיים זמינים, אפשרויות העיצוב עצומות".

מחקרים שנעשו לאחרונה הראו כי יישור סיבוב בין השכבות משחק תפקיד חשוב ביותר בקביעת המאפיינים החדשים המתעוררים כאשר החומרים משולבים. לדוגמה, בעת ביצוע גרפן ממוקם על גבי בידוד ניטריד בורון עם סריגים קריסטל מיושר באופן מושלם, גרפן מפתחת פער הלהקה. בזוויות לא אפס, הפער הלהקה נעלמת מאפיינים גרפן מהותי הם התאושש. רק בחודש מרץ האחרון, חוקרים ב- MIT דיווחו על תגלית פורצת דרך ששתי שכבות של גרפן מוערמות יכולות להציג תכונות אקזוטיות, כולל מוליכות כאשר הזווית הטוויסטית ביניהם נקבעת ל -1.1 מעלות, המכונה "זווית הקסם".

בגישות קודמות להבראת מבנים עם שכבות מוטעות סיבוביות, הזווית נקבעה במהלך תהליך ההרכבה. משמעות הדבר היא כי לאחר המכשיר נעשה, המאפיינים שלו היו קבועים. "מצאנו גישה זו מתסכלת, שכן טעויות קטנות מאוד יישור יכול לתת תוצאות שונות לחלוטין, " אומר דין. "זה יהיה נהדר לעשות מכשיר שבו נוכל ללמוד את המאפיינים שלה תוך סיבוב רציף שכבות שלה ולכן השאלה היתה, איך לעשות את זה?"

התשובה, החוקרים קולומביה הבין, היה לנצל את החיכוך הנמוך שקיים בממשק בין השכבות, אשר מוחזקים יחד על ידי כוחות ואן דר ואלס, כי הם הרבה יותר חלשה מאשר את האטומי הקשר בתוך כל שכבה. זה חיכוך נמוך? מה שהופך חומרים 2-D טוב מאוד כמו חומרי סיכה מוצק? עושה מבוקר הרכבה בזווית הרצויה מאוד קשה. קבוצת קולומביה השתמשה בחיכוך הנמוך המאפיין את היתרון שלהם על ידי תכנון מבנה של התקן שבו, במקום למנוע סיבוב, הם יכלו בכוונה ובאופן שונה לשנות את זווית הסיבוב.

הצוות השתמש בגראפן / בורון- nitride heterostructures כדי להדגים את הטווח של הטכניקה שלהם. במבנים אלה, כאשר השכבות אינן מיוצרות באופן קריסטלוגרפי, החומרים משמרים את תכונותיהם המקוריות (למשל, לגראפן יהיה אופי חצי מתכתי), אך כאשר השכבות מיושרות, תכונות הגרפן משתנות, פותחות פער אנרגיה ומתנהגות מוליך למחצה. החוקרים הראו כי זה כוונון עדין של תכונות heterostructure משפיע על תגובות אופטי, מכני, אלקטרוניים שלה.

"יש לציין כי הפער האנרגטי שנצפה בגראפן הוא מתכוונן וניתן להדליק אותו או לבטל אותו על פי דרישה רק על ידי שינוי הכיוון בין השכבות", אומרת רבקה ריבירו, שהובילה את עבודתה כחוקרת פוסט-דוקטורט בקולומביה. הוא כעת מדעני מחקר CNRS במרכז הצרפתי לננו-טכנולוגיה וננוטכנולוגיה (C2N-CNRS). "כוונון של הפער האנרגיה לא רק מייצג צעד גדול לקראת השימוש בעתיד של גרפן ביישומים מגוונים, אלא גם מספק הדגמה כללית שבה תכונות המכשיר של חומרים 2-D משתנים באופן דרמטי עם סיבוב"

מבחינה טכנולוגית, היכולת לכוונן את המאפיינים של חומר שכבות על ידי שינוי הזווית הטוויסט מספקת את האפשרות לפלטפורמה חומרית אחת לבצע מגוון פונקציות. לדוגמה, מעגלים אלקטרוניים בנויים מתוך מספר סופי של רכיבים, כולל מוליכים מתכתיים, מבודדים, מוליכים למחצה וחומרים מגנטיים. תהליך זה מחייב שילוב של מגוון חומרים שונים ויכול להוות אתגר הנדסי משמעותי. לעומת זאת, חומר אחד שיכול להיות "מעוות" באופן מקומי כדי לממש כל אחד מרכיבים אלה יכול לאפשר הזדמנויות הנדסיות חדשות משמעותיות.

בנוסף, היכולת לכוונן באופן דינמי מערכת עם פיתול מכני מציעה יכולת מיתוג חדשה שיכולה לאפשר יישומי התקן חדשים לחלוטין. לדוגמה, מתגים מסורתיים בדרך כלל משתנים בין שתי מצבים מוגדרים היטב (או כבויים, מגנטיים או לא, וכו '). פלטפורמת קולומביה יכולה לאפשר את האפשרות לעבור בין מספר שרירותי של מדינות משלימות.

דין ו Hone עכשיו באמצעות הטכניקה החדשה שלהם כדי לחקור שילובים אחרים של חומרים 2-D שבו המאפיינים יכול להיות מכוון על ידי יישור זוויתי. הם מסתכלים במיוחד על גילוי לאחרונה של מוליכות ב מעוות bilayer גרפן ולחקור אם זה עשוי להיות תכונה כללית של bilayers מעוות עשוי מחומרים שרירותיים 2-D.

דין מוסיף: "המחקר שלנו מדגים מידה חדשה של חופש, כלומר כיוון אוריינטציה בין שכבות, אשר פשוט לא קיים בהטרו-מוליכים קונבנציונליים של מוליכים-למחצה, זהו אירוע נדיר בתחום המוליכים למחצה שבו אנו באמת יוצרים דרך חדשה, ופותח את הדלת לתחום חדש לגמרי של מחקר שבו תכונות החומר יכול להיות מגוונות פשוט על ידי מסובב את המבנה. "

המחקר הוא שכותרתו "האלקטרוניקה Twistable עם heterostructures דינמי rotatable."

menu
menu