p Os cientistas de materiais podem controlar o ângulo de torção intercamada dos materiais para oferecer um método poderoso para ajustar as propriedades eletrônicas de materiais de van der Waals bidimensionais (2-D). Em tais materiais, a condutividade elétrica aumentará monotonicamente (constantemente) com o ângulo de torção decrescente devido ao acoplamento aprimorado entre as camadas adjacentes. Em um novo relatório, Shuai Zhang e uma equipe de cientistas em materiais funcionais, Engenharia, nanossistemas e tribologia, na China, descreveu uma configuração para condutividade vertical dependente do ângulo não monotônica através da interface de grafeno de bicamada contendo ângulos de torção baixos. A condutividade vertical aumentou gradualmente com o ângulo de torção decrescente, Contudo, após uma nova diminuição no ângulo de torção, a condutividade do material caiu notavelmente. Os cientistas revelaram o comportamento anormal usando cálculos da teoria funcional da densidade (DFT) e microscopia de tunelamento de varredura (STM) e creditaram o resultado à redução incomum na densidade média de portadores originada de reconstruções atômicas locais. A reconstrução atômica pode ocorrer devido à interação entre a energia de interação de van der Waals e a energia elástica na interface, levando a estruturas intrigantes. O impacto da reconstrução atômica foi significativo na condutividade vertical para baixo ângulo, materiais trançados 2-D van der Waals; fornecendo uma nova estratégia para projetar e otimizar seu desempenho eletrônico. p Ajustando as propriedades eletrônicas de materiais 2-D

p Cientistas de materiais demonstraram métodos para variar o ângulo de torção intercamada para fornecer uma estratégia eficaz para ajustar as propriedades eletrônicas das estruturas de van der Waals. Experimentos recentes revelaram como a condutividade intercamada de estruturas 2-D de van der Waals, como as junções de grafeno / grafeno ou grafeno / grafite, diminuiu monotonicamente com um ângulo de torção crescente. Os pesquisadores podem explicar essa condutividade intercamada dependente de ângulo monotônica usando um mecanismo de transporte intercamada mediado por fônons. Além da condutividade intercamada, a condutividade vertical pode ser sondada usando microscopia de força atômica de condutância (c-AFM), onde os resultados mostraram tendências semelhantes para diversos materiais 2-D com um grande sistema de torção. Estudos recentes sobre grafeno de bicamada torcida de baixo ângulo (TBG) mostraram os efeitos das interações competitivas de van der Waals e da elasticidade no plano que influenciam a reconstrução local em escala atômica do grafeno, para revelar propriedades eletrônicas não convencionais, como supercondutividade, isoladores correlacionados e ferromagnetismo espontâneo. Portanto, é cientificamente intrigante investigar a condutividade vertical do grafeno de dupla camada torcida (TBG) e entender como ele evolui com o ângulo de torção.

p Investigando a condutividade vertical do grafeno de dupla camada torcida (TBG)

p Durante os experimentos, Zhang et al. usou um floco de nitreto de boro hexagonal espesso (h-BN) como substrato e fez crescer grafeno de duas camadas usando deposição química de vapor. Nessas amostras, a camada inferior de grafeno formou um filme policristalino contínuo, enquanto a camada superior de grafeno permaneceu uma ilha de grafeno de cristal único. Esta estrutura de amostra única permitiu-lhes investigar um grande número de domínios de grafeno de dupla camada torcida com uma ampla gama de ângulos de torção. Durante as medições de AFM condutivas, a equipe aplicou uma tensão de polarização constante entre a sonda condutiva e o filme para monitorar continuamente a corrente na configuração. Com o ângulo de torção decrescente, os cientistas notaram uma queda na condutividade vertical do grafeno de dupla camada torcida, uma característica distintamente diferente da condutividade dependente do ângulo monotônico observada em investigações anteriores.

p Explorando a dependência do ângulo de torção anormal no grafeno de dupla camada torcida (TBG)

p Para explorar esse recurso incomum, Zhang et al. realizaram medições em mais amostras TBG. Quando o ângulo de torção diminuiu de 120 graus para cinco graus, a condutividade do TBG aumentou gradualmente, consistente com relatórios anteriores. Quando o ângulo de torção diminuiu para menos de cinco graus, Contudo, a equipe observou a redução incomum na condutividade. Para descartar a influência do substrato de nitreto de boro hexagonal, eles transferiram o grafeno monocamada para a superfície da grafite com um ângulo de torção baixo controlável, e mediu a condutividade vertical usando c-AFM (microscopia de força atômica condutiva), para observar um resultado incomum semelhante. A equipe então realizou medições de condutividade com resolução mais precisa para examinar a origem da diminuição anormal da condutividade, quando os ângulos de torção estavam abaixo de cinco graus.

p Para entender a complexidade, eles caracterizaram as estruturas de escala moiré e sub-moiré com maior resolução usando experimentos STM (microscopia de tunelamento de varredura) em amostras de grafeno de dupla camada torcida com ângulos de torção baixos (variando de 0,6 graus, 1,1 graus a 3,3 graus). As superredes moiré são estruturas produzidas a partir de camadas 2-D empilhadas com um ângulo de torção e / ou incompatibilidade de rede. De acordo com as medições STM, a densidade local de estados na superfície do grafeno de dupla camada torcida diminuiu quando o ângulo de torção foi reduzido de 3,3 graus para 0,6 graus. O grafeno de duas camadas é um semimetal que pode adotar a chamada "estrutura empilhada AB 'ou a rara" estrutura empilhada AA' - que se prevê serem muito diferentes umas das outras. Neste caso, a região com baixa e alta condutividade em grafeno bicamada torcida correspondia aproximadamente às regiões empilhadas AB- / BA- e AA, respectivamente.

p Cálculos teóricos

p Zhang et al. também realizou cálculos teóricos para entender como a estrutura da super-rede moiré e a reconstrução local levaram à condutividade vertical anormal. Em todos os casos, as regiões empilhadas com AA mostraram melhor condutividade em comparação com as regiões com saque com AB. A equipe quantificou a variação da condutividade com os ângulos de torção, por meio de simulações, para reproduzir as observações experimentais. Os cientistas também estudaram a condutividade intercamada de grafeno-grafeno para entender a origem do comportamento cruzado. Usando cálculos DFT (teoria funcional da densidade), eles descobriram a presença de regiões empilhadas AA para aumentar a densidade de portadores locais, este fenômeno surgiu devido à maior acomodação do transportador local na região empilhada AA na estrutura da superrede moiré.

p Panorama

p Desta maneira, a propriedade de transporte vertical do grafeno de bicamada torcida (TBG) pode ser determinada por dois fatores:incluindo a densidade do portador de superfície e a barreira de tunelamento intercamada. A alta densidade de portadores e a baixa barreira de tunelamento foram essenciais para a alta condutividade. Shuai Zhang e colegas usaram TBG como exemplo e descobriram que a condutividade vertical das heteroestruturas de van der Waals exibem uma dependência não monotônica no ângulo de torção. Quando o ângulo de torção atingiu um limite abaixo de 5 graus, a condutividade vertical diminuiu anormalmente devido a uma queda notável na densidade do portador. Os resultados enfatizaram a influência da reconstrução atômica na condutividade vertical em interfaces 2-D. O trabalho oferece orientação para otimizar o desempenho elétrico do grafeno bicamada torcida e outras estruturas 2-D de van der Waals no campo da optoeletrônica. p © 2020 Science X Network