Совместная исследовательская группа успешно разработала платформу для двумерных (2D) квантовых материалов путём наложения мозаичных решёток.
Исследование опубликовано в журнале Nature под названием «Нестандартные доменные мозаики в решётках „моiré-из-моiré“».
Это исследование под руководством профессора Хёбина Ю из Департамента материаловедения и инженерии, в сотрудничестве с профессором Ён-У Соном (Корейский институт перспективных исследований) и профессором Чанвоном Парком (Университет Эхва), знаменует собой первое идентификацию на атомном уровне иерархических структур и сложных межслойных взаимодействий, возникающих в результате наложения различных мозаичных решёток в системе трислойного графена.
Ожидается, что работа станет перспективной новой твердотельной платформой для разработки программируемых квантовых устройств и электронных материалов следующего поколения.
Что такое «эффект моiré»?
«Эффект моiré» относится к новому узору, который возникает при наложении двух периодических узоров. Например, перекрывающиеся сетчатые ткани могут образовывать волнообразный узор, а полосатые рубашки на экранах телевизоров могут отображать необычные сетчатые эффекты.
В последние годы учёные обнаружили, что это визуальное явление также может фундаментально изменять поведение электронов в материалах.
Движение и состояние электронов
Движение и состояние электронов, которые имеют решающее значение для работы электронных и квантовых устройств, тесно связаны с расположением и расстоянием между атомами в материале. В типичных твёрдых телах расположение атомов фиксировано, что затрудняет контроль электронных свойств материалов.
Однако в двумерных материалах, таких как графен толщиной всего в один атом, наложение двух слоёв с небольшим поворотом генерирует новый узор суперрешётки, называемый «мозаичной решёткой». Это создаёт искусственную периодичность, которой нет в природных материалах, что позволяет точно контролировать поток и поведение электронов. В результате мозаичные решётки привлекают внимание как платформа для квантовых технологий и электроники нового поколения.
Иерархические структуры в многослойных системах
Хотя прошлые исследования были сосредоточены в основном на «одиночных мозаичных структурах» из двух слоёв, наложение трёх и более слоёв позволяет формировать и перекрывать различные мозаичные решётки, что приводит к совершенно новой иерархической структуре, известной как «моiré-из-моiré». Поскольку каждый мозаичный период можно независимо настраивать, такая конфигурация значительно расширяет возможности управления электронными состояниями.
Совместная исследовательская группа наложила три слоя графена с тщательно контролируемыми углами поворота, создав перекрывающиеся мозаичные решётки. Используя просвечивающую электронную микроскопию высокого разрешения (ПЭМ), они непосредственно наблюдали новые узоры решётки, которые спонтанно возникали в результате перестройки атомов, включая ранее не описанные треугольные, кагоме и гексаграммовые мотивы.
Эти узоры возникли, когда атомы самоорганизовались в энергетически выгодные конфигурации, поведение которых не может быть объяснено взаимодействием только ближайших слоёв. Команда показала, что слабые, но важные взаимодействия также происходят между несмежными слоями, играя значительную роль в определении общей структуры.
В результате этих сложных межслойных взаимодействий проявляются иерархические узоры решётки и отличительные физические свойства, которые проявляются исключительно в трислойных и более толстых многослойных системах.
Для объяснения этих структур команда объединила измерения просвечивающей электронной микроскопии с компьютерным моделированием и составила «диаграмму структурных фаз», которая показывает, как различные доменные решётки возникают в зависимости от угла поворота. Ожидается, что эта диаграмма станет ценным руководством для будущего проектирования квантовых материалов с использованием многослойных решёток.
Это исследование демонстрирует, что иерархические расположения атомов и электронные состояния можно точно спроектировать даже в сложных системах с несколькими мозаичными структурами, выходя за рамки ограничений одиночных мозаичных структур. Возможность независимо управлять двумя периодичностями мозаики обеспечивает большую свободу в проектировании электронных свойств.
Профессор Хёбин Ю, возглавлявший исследование, заявил: «Это исследование показывает, что мозаичные структуры — это больше, чем просто визуальные узоры — они могут служить мощными инструментами для проектирования атомных взаимодействий и электронных состояний. Формирование иерархической решётки и дальнодействующие межслойные взаимодействия, наблюдаемые в решётках „моiré-из-моiré“, открывают совершенно новые пути для проектирования материалов».
Профессор добавил: «В будущем мы ожидаем, что это исследование приведёт к разработке «программируемых материалов», чьи электронные свойства и структуры решётки можно будет активно настраивать с помощью внешних стимулов, таких как электрические поля, что откроет путь для применения в электронике и квантовых технологиях нового поколения».
Соавтор исследования Даесонг Парк проводил исследования мозаичных решёток в скрученных ван-дер-ваальсовых (vdW) материалах с помощью ПЭМ во время учёбы в магистратуре. Сейчас он работает в Samsung Electronics инженером по архитектуре процессов (PA), где занимается проектированием и разработкой передовых процессов производства полупроводников для повышения производительности и экономической эффективности.