Un grupo de investigadores internacionales de la Universidad de Manchester ha revelado un método novedoso que podría afinar el ángulo – «torsión» – entre capas delgadas como átomos que forman nanodispositivos exóticos hechos por humanos llamados heteroestructuras de van der Waals – y ayudar a acelerar la próxima generación de electrónica.
La nueva técnica puede lograr la rotación dinámica in situ y la manipulación de materiales 2D superpuestos entre sí para formar heteroestructuras de van der Waals, dispositivos a nanoescala que cuentan con propiedades inusuales y nuevos fenómenos emocionantes, explicó el líder del equipo, el profesor Mishchenko.
El ajuste del ángulo de torsión controla la topología y las interacciones de los electrones en materiales 2D, y este proceso, denominado ‘twistronics’, es un tema de investigación creciente en física en los últimos años. El nuevo estudio dirigido por Manchester se publicará en Science Advances hoy (viernes 4 de diciembre).
«Nuestra técnica permite heteroestructuras retorcidas de van der Waals con propiedades ópticas, mecánicas y electrónicas dinámicamente ajustables». explicó Yaping Yang, el autor principal de este trabajo.
Yaping Yang agregó: «Esta técnica, por ejemplo, podría usarse en la manipulación robótica autónoma de cristales bidimensionales para construir superredes de van der Waals, lo que permitiría un posicionamiento, rotación y manipulación precisos de materiales 2D para fabricar materiales con los ángulos de torsión deseados. , para afinar las propiedades electrónicas y cuánticas de los materiales de van der Waals «.
La torsión de capas de cristales 2D entre sí da como resultado la formación de un patrón muaré, donde las celosías de los cristales 2D parentales forman una superrejilla. Esta superrejilla puede cambiar completamente el comportamiento de los electrones en el sistema, lo que lleva a la observación de muchos fenómenos novedosos, que incluyen fuertes correlaciones de electrones, efecto Hall cuántico fractal y superconductividad.
El equipo demostró esta técnica fabricando con éxito heteroestructuras donde el grafeno está perfectamente alineado con las capas de encapsulación superior e inferior de nitruro de boro hexagonal, denominado «grafeno blanco», creando superredes de doble muaré en las dos interfaces.
Como se publicó en Science Advances , la técnica está mediada por un parche de polímero resistente en cristales 2D objetivo y un manipulador de gel de polímero, que puede controlar de forma precisa y dinámica la rotación y el posicionamiento de materiales 2D.
«Nuestra técnica tiene el potencial de llevar twistronics dentro de los sistemas de medición criogénica, por ejemplo, mediante el uso de micromanipuladores o dispositivos microelectromecánicos», agregó Artem Mishchenko.
Los investigadores utilizaron un portaobjetos de vidrio con una gota de polidimetilsiloxano (PDMS) como manipulador, que se cura y se forma naturalmente en una geometría hemisférica. Mientras tanto, depositaron intencionalmente un parche epitaxial de polimetilmetacrilato (PMMA) sobre un cristal 2D objetivo a través de una litografía estándar por haz de electrones.
Los pasos para manipular las escamas objetivo en una heteroestructura son fáciles de seguir. Al bajar el mango de gel de polímero, el hemisferio de PDMS se pone en contacto con el parche de PMMA. Cuando se tocan, se pueden mover o rotar fácilmente los cristales 2D objetivo en la superficie del copo inferior. Un movimiento tan suave de las escamas 2D se basa en la superlubricidad entre las dos estructuras cristalinas.
La superlubricidad es un fenómeno en el que la fricción entre superficies atómicamente planas desaparece según determinadas condiciones.
La técnica de manipulación permite un ajuste continuo del ángulo de torsión entre las capas incluso después del ensamblaje de la heteroestructura. Se puede diseñar el parche epitaxial de PMMA en una forma arbitraria a pedido, normalmente tomando la geometría que se ajuste a la escama objetivo. La técnica de manipulación es conveniente y reproducible, ya que el parche de PMMA se puede lavar fácilmente con acetona y volver a modelar mediante litografía.
Normalmente, para un hemisferio PDMS cuidadosamente fabricado, el área de contacto entre el hemisferio y un cristal 2D depende del radio del hemisferio y es muy sensible a la fuerza de contacto, lo que dificulta el control preciso del movimiento del cristal 2D objetivo.
«El parche de PMMA epitaxial juega un papel crucial en la técnica de manipulación. Nuestro truco radica en que el área de contacto del manipulador de gel de polímero se limita precisamente a la forma estampada de la capa de polímero epitaxial. Esta es la clave para lograr un control preciso de la manipulación, permitiendo aplicar una fuerza de control mucho mayor «. dijo Jidong Li, uno de los coautores.
En comparación con otras técnicas de manipulación de materiales 2D, como el uso de puntas de microscopio de fuerza atómica (AFM) para empujar un cristal con una geometría fabricada específicamente, la técnica twistronics in situ no es destructiva y puede manipular las escamas independientemente de su grosor, mientras que un AFM La punta funciona mejor solo para copos gruesos y puede destruir los delgados.
La alineación perfecta del grafeno y el nitruro de boro hexagonal demuestra el potencial de la técnica en aplicaciones twistronics.
Usando la técnica in situ, los investigadores rotaron con éxito capas 2D en una heteroestructura de nitruro de boro / grafeno / nitruro de boro para lograr una alineación perfecta entre todas las capas. Los resultados demuestran la formación de superredes de doble muaré en las dos interfaces de la heteroestructura. Además, los investigadores observaron la firma del muaréacute de segundo orden (compuesto); patrón generado por el doble muaréacute; superredes.
Esta heteroestructura con grafeno y nitruro de boro perfectamente alineados demuestra el potencial de la técnica de manipulación en twistronics.
«La técnica se puede generalizar fácilmente a otros sistemas de materiales 2D y permite la manipulación reversible en cualquier sistema 2D fuera del régimen correspondiente», dijo Yaping Yang, quien llevó a cabo el trabajo experimental.
El profesor Mishchenko agregó: «Creemos que nuestra técnica abrirá una nueva estrategia en la ingeniería de dispositivos y encontrará sus aplicaciones en la investigación de cuasicristales 2D, bandas planas de ángulos mágicos y otros sistemas topológicamente no triviales».
Fuente: la Universidad de Manchester
