Cintas de grafeno, en lugar de cuadrados, podrían ser una mejor plataforma para probar los inusuales efectos electrónicos que surgen al torcer y tensar capas adyacentes de materiales bidimensionales (2D). Este es el hallazgo de científicos de EE.UU., Dinamarca, Francia y Japón, cuyo enfoque difiere significativamente de estudios anteriores de "twistrónica" que se centraban en torcer dos escamas de material entre sí y luego apilarlas. Según el equipo, la nueva técnica basada en cintas podría dar a los investigadores un mejor control sobre el ángulo de giro, haciendo que los efectos electrónicos sean más fáciles de estudiar.

En los últimos años, los investigadores han descubierto que pueden cambiar las propiedades electrónicas de los materiales 2D apilando capas de estos materiales una encima de otra y variando el ángulo entre ellas. Por ejemplo, una bicapa de grafeno normalmente no tiene una banda prohibida, pero la desarrolla cuando se pone en contacto con otro material 2D, el nitruro de boro hexagonal (hBN).

Este cambio se produce porque la constante de red del hBN (una medida de cómo están dispuestos sus átomos) es casi la misma que la del grafeno, pero no del todo. Las capas ligeramente desiguales de grafeno y hBN forman una estructura más grande conocida como superred muaré, y las interacciones entre los átomos cercanos en esta superred permiten que se forme una banda prohibida. Si luego las capas se tuercen de modo que queden aún más desalineadas y el ángulo entre ellas se vuelve grande, la banda prohibida desaparece. De manera similar, el grafeno por sí solo se puede ajustar de semimetálico a semiconductor e incluso superconductor dependiendo del ángulo entre las capas individuales de grafeno.

Para lograr esta variedad de propiedades electrónicas en materiales convencionales, los científicos normalmente necesitan cambiar su composición química introduciendo dopantes o impurezas deliberadas. Por lo tanto, poder hacer esto en un material 2D simplemente alterando el ángulo de torsión entre capas es una dirección fundamentalmente nueva en la ingeniería de dispositivos y se ha denominado "twistrónica".

El problema es que los ángulos de torsión y la deformación asociada son difíciles de controlar, lo que significa que diferentes áreas de una muestra pueden tener propiedades electrónicas inconvenientemente diferentes. En el último trabajo, un equipo liderado por cory decano of Columbia Uiversity en los EE. UU. superó este problema colocando una capa de grafeno en forma de cinta (en lugar de una escama cuadrada como suele ser el caso) encima de una capa de hBN y doblando lentamente un extremo de la cinta usando un microscopio de fuerza piezoatómica. La estructura resultante tiene un ángulo de torsión que varía continuamente desde el punto en el que la cinta comienza a doblarse hasta su final. Y en lugar de variaciones incontroladas en la deformación, la muestra ahora tiene un perfil de deformación uniforme que puede predecirse completamente por la forma del límite de la cinta doblada.

Mantener gradientes de ángulo y deformación.

En sus experimentos, que se detallan en Ciencia:, Dean y sus colegas doblaron una de las capas de grafeno en una forma que se asemeja a un arco semicircular. Luego colocaron esta capa encima de una segunda capa sin doblar. "Cuando los colocamos juntos de esta manera, introducimos intencionalmente un gradiente de ángulo a lo largo del arco y un gradiente de deformación a lo largo del arco", explica Dean. "Descubrimos que, en lugar de permitir fluctuaciones aleatorias en el ángulo de torsión o deformación local, las dos capas combinadas mantienen el ángulo y los gradientes de deformación que impartimos durante el proceso de flexión".

Sin embargo, doblar la cinta de grafeno no es fácil. Los investigadores lo lograron cortando primero una cinta de un trozo más grande de grafeno utilizando un proceso basado en microscopía de fuerza atómica (AFM). A continuación, fabricaron un "deslizador" separado a partir de una pieza voluminosa de grafito multicapa que constaba de un disco redondo fabricado con asas en el borde exterior. Luego, este control deslizante se colocó en un extremo de la cinta y se empujó a través de él usando el extremo de una punta AFM. "El control deslizante se puede controlar mediante la punta del AFM y se puede retirar después de que la cinta se haya doblado para darle forma", explica Dean.

Una característica clave de este proceso es que la fricción interfacial de la cinta de grafeno es relativamente baja cuando se coloca sobre hBN, lo que significa que puede doblarse bajo carga, pero lo suficientemente alta como para permitir que la cinta mantenga su forma doblada cuando se libera la carga.

El grado en que se doblará la cinta depende de la longitud y el ancho de la cinta y de cuánta fuerza se aplica al extremo de la misma mediante la punta del AFM. Los investigadores descubrieron que las cintas largas y estrechas (es decir, cintas con una gran relación de aspecto) son las más fáciles de doblar de forma controlada.

“Acceso sin precedentes al diagrama de fases del ángulo torcido”

Ser capaz de ajustar continuamente tanto la tensión como el ángulo de torsión brindará a los investigadores un acceso sin precedentes al "diagrama de fases" de los ángulos torcidos, dice Dean. Mundo de la física. “La estructura de banda electrónica de la bicapa retorcida es extremadamente sensible al ángulo de torsión; por ejemplo, el 'ángulo mágico' se define con sólo una décima de grado de 1.1°. La torsión lenta y controlable significa que podemos mapear esta dependencia en un solo dispositivo con una precisión que antes no era posible”.

Haciendo estables las nanocintas de grafeno

Y eso no es todo: dado que el papel de la deformación en los sistemas de grafeno bicapa de ángulo mágico es casi totalmente desconocido experimentalmente, la nueva técnica brinda la primera oportunidad de medirlo de forma reproducible. "Técnicamente, la idea de que introducir un gradiente de deformación podría ayudar a suprimir las variaciones aleatorias del ángulo de torsión fue una sorpresa inesperada para nosotros", dice Dean. "Esto abre ideas interesantes sobre cómo interactuar la ingeniería de deformación y las variaciones de ángulo controladas espacialmente para obtener un mayor control sobre la estructura de la banda electrónica en sistemas de capas retorcidas".

El equipo de Columbia ahora está mapeando el diagrama de fase de ángulo de deformación alrededor del rango del ángulo mágico en grafeno bicapa retorcido utilizando una combinación de espectroscopia de sonda de escaneo y transporte. Los investigadores también están explorando si pueden aplicar la técnica a otros sistemas de materiales 2D. En los semiconductores, por ejemplo, la flexión podría guiar y canalizar excitones (pares de huecos de electrones), mientras que en sistemas magnéticos 2D, podría usarse para crear texturas magnéticas inusuales. "Finalmente, estamos explorando formas de lograr la flexión mediante medios electrostáticos u otros medios no mecánicos", revela Dean. "Estos podrían permitir el control dinámico in situ del ángulo de torsión en sistemas bicapa".

• Distribución de relaciones públicas y contenido potenciado por SEO. Consiga amplificado hoy.
• PlatoData.Network Vertical Generativo Ai. Empodérate. Accede Aquí.
• PlatoAiStream. Inteligencia Web3. Conocimiento amplificado. Accede Aquí.
• PlatoESG. Carbón, tecnología limpia, Energía, Ambiente, Solar, Gestión de residuos. Accede Aquí.
• PlatoSalud. Inteligencia en Biotecnología y Ensayos Clínicos. Accede Aquí.
• Desplazamientos de bloque. Modernización de la propiedad de compensaciones ambientales. Accede Aquí.
• Fuente: https://physicsworld.com/a/graphene-ribbons-advance-twistronics/