Materiais bidimensionais (2-D), como o grafeno, possuem eletrônicos exclusivos, magnético, óptico, e propriedades mecânicas que prometem impulsionar a inovação em áreas como eletrônica, energia, materiais e medicina. Pesquisadores da Universidade de Columbia relatam um grande avanço que pode revolucionar o campo, um dispositivo "twistrônico" cujas características podem ser variadas simplesmente variando o ângulo entre duas camadas 2-D diferentes colocadas uma sobre a outra.

Em um artigo publicado online hoje em Ciência , a equipe demonstra uma nova estrutura de dispositivo que não só dá a eles um controle sem precedentes sobre a orientação angular em dispositivos de camada torcida, mas também permite que variem este ângulo in situ, para que os efeitos do ângulo de torção na eletrônica, óptico, e as propriedades mecânicas podem ser estudadas em um único dispositivo.

Liderado por Cory Dean (física, Columbia University) e James Hone (engenharia mecânica, Columbia Engineering), a equipe desenvolveu técnicas que foram pioneiras anteriormente para camadas mecanicamente de grafeno e outros materiais 2-D, um em cima do outro, para formar novas estruturas. "Este processo de montagem mecânica nos permite misturar e combinar diferentes cristais para construir materiais inteiramente novos, frequentemente com propriedades fundamentalmente diferentes das camadas constituintes, "diz Hone, líder do Centro de Pesquisa e Engenharia de Materiais de Columbia (MRSEC), que investiga as propriedades dessas heteroestruturas. "Com centenas de materiais 2-D disponíveis, as possibilidades de design são enormes. "

Estudos recentes têm mostrado que o alinhamento rotacional entre as camadas desempenha um papel criticamente importante na determinação das novas propriedades que surgem quando os materiais são combinados. Por exemplo, quando o grafeno condutor é colocado no topo do nitreto de boro isolante com as redes cristalinas perfeitamente alinhadas, o grafeno desenvolve um gap. Em ângulos diferentes de zero, o gap desaparece e as propriedades intrínsecas do grafeno são recuperadas. Só em março passado, pesquisadores do MIT relataram a descoberta inovadora de que duas camadas empilhadas de grafeno podem exibir propriedades exóticas, incluindo supercondutividade quando o ângulo de torção entre elas é definido como 1,1 graus, referido como o "ângulo mágico".

Em abordagens anteriores para fabricar estruturas com camadas rotacionalmente desalinhadas, o ângulo foi definido durante o processo de montagem. Isso significa que uma vez que o dispositivo foi feito, suas propriedades foram fixadas. "Estávamos achando essa abordagem frustrante, uma vez que erros muito pequenos no alinhamento podem dar resultados totalmente diferentes, "diz Dean." Seria ótimo fazer um dispositivo em que pudéssemos estudar suas propriedades enquanto girávamos continuamente suas camadas e então a questão era, como fazer isso?"

A resposta, os pesquisadores de Columbia perceberam, era tirar vantagem do baixo atrito que existe na interface entre as camadas, que são mantidos juntos por forças de van der Waals que são muito mais fracas do que as ligações atômicas dentro de cada camada. Esse baixo atrito - que torna os materiais 2-D muito bons como lubrificantes sólidos - torna a montagem controlada em um ângulo desejado muito difícil. O grupo Columbia usou a característica de baixo atrito a seu favor, projetando uma estrutura de dispositivo na qual, em vez de evitar a rotação, eles podem variar intencionalmente e controladamente o ângulo de rotação.

A equipe usou heteroestruturas de grafeno / nitreto de boro para demonstrar o alcance de sua técnica. Nessas estruturas, quando as camadas não estão alinhadas cristalograficamente, os materiais preservam suas propriedades originais (por exemplo, o grafeno terá um caráter semimetálico), mas quando as camadas estão alinhadas, as propriedades da mudança de grafeno, abrindo uma lacuna de energia e se comportando como um semicondutor. Os pesquisadores mostraram que este ajuste fino das propriedades da heteroestrutura afeta sua óptica, mecânico, e respostas eletrônicas.

"Notavelmente, demonstramos que a lacuna de energia observada no grafeno é ajustável e pode ser ligada ou desligada sob demanda apenas mudando a orientação entre as camadas, "diz Rebeca Ribeiro, que liderou este trabalho como pesquisador de pós-doutorado na Columbia e agora é um cientista pesquisador do CNRS no Centro Francês de Nanociência e Nanotecnologia (C2N-CNRS). "O ajuste desta lacuna de energia não representa apenas um grande passo em direção ao uso futuro do grafeno em aplicações variadas, mas também fornece uma demonstração geral em que as propriedades do dispositivo de materiais 2-D variam dramaticamente com a rotação "

Do ponto de vista tecnológico, a capacidade de ajustar as propriedades de um material em camadas variando o ângulo de torção fornece a possibilidade de uma única plataforma de material executar uma variedade de funções. Por exemplo, circuitos eletrônicos são construídos a partir de um número finito de componentes, incluindo condutores metálicos, isoladores, semicondutores, e materiais magnéticos. Este processo requer integração de uma variedade de materiais diferentes e pode representar um desafio significativo de engenharia. Em contraste, um único material que pode ser "torcido" localmente para realizar cada um desses componentes pode permitir novas oportunidades de engenharia significativas.

Além disso, a capacidade de ajustar dinamicamente um sistema com torção mecânica oferece uma nova capacidade de comutação que pode permitir aplicativos de dispositivos totalmente novos. Por exemplo, os interruptores tradicionais geralmente variam entre dois estados bem definidos (ligado ou desligado, magnético ou não, etc.). A plataforma Columbia pode permitir a alternância entre um número arbitrário de estados complementares.

Dean e Hone estão agora usando sua nova técnica para estudar outras combinações de materiais 2-D em que as propriedades podem ser ajustadas por alinhamento angular. Eles estão olhando particularmente para a recente descoberta de supercondutividade no grafeno de bicamada torcida e explorando se ela pode ser uma característica geral das bicamadas torcidas feitas de materiais 2-D arbitrários.

Dean acrescenta, "Nosso estudo demonstra um novo grau de liberdade, ou seja, orientação rotacional entre as camadas, isso simplesmente não existe em heteroestruturas de semicondutores convencionais. Esta é uma ocasião rara no campo de semicondutores em que estamos realmente forjando um novo caminho, e abre a porta para um novo campo de pesquisa onde as propriedades dos materiais podem ser variadas simplesmente torcendo a estrutura. "

O estudo é intitulado "Eletrônica girável com heteroestruturas rotativas dinamicamente".