O empilhamento vertical de materiais bidimensionais (2D) para formar homo ou heteroestruturas de van der Waals tornou-se um meio eficaz para regular suas propriedades físicas e mecânicas. Em particular, quando um pequeno ângulo de torção está presente na interface empilhada, as estruturas 2D muitas vezes mostram muitos fenômenos físicos interessantes e até mágicos devido ao acoplamento único entre camadas.



No caso do grafeno bicamada com pequeno ângulo de torção, a interface torcida sofrerá reconstrução atômica espontânea devido à competição entre a energia de empilhamento intercamadas e a energia de deformação elástica intracamada. Esta estrutura especial empilhada pode levar a muitos fenômenos inesperados, incluindo estado isolante de Mott, supercondutividade não convencional e ferromagnetismo espontâneo.

Recentemente, descobriu-se que interfaces torcidas podem não apenas aparecer na camada superficial, mas também podem ser incorporadas dentro das estruturas de van der Waals, o que pode levar a comportamentos físicos mais ricos. Para essas arquiteturas 2D interessantes, suas propriedades físicas são altamente sensíveis ao estado de empilhamento das camadas e interfaces internas.

Infelizmente, caracterizar com precisão a estrutura de empilhamento embutida ainda é um grande desafio. Além disso, se as interfaces torcidas incorporadas também sofreriam reconstrução atômica e quais impactos a reconstrução pode ter nas camadas atômicas vizinhas, bem como em todas as unidades empilhadas, são cientificamente intrigantes e permanecem inexplorados.

Para responder a essas perguntas, o grupo do professor Qunyang Li na Universidade de Tsinghua e o grupo do professor Ouyang Wengen na Universidade de Wuhan desenvolveram um novo método baseado em microscopia de força atômica condutiva (c-AFM) para caracterizar e reconstruir o estado de empilhamento interno de material em camadas torcidas através de simples medições de condutividade superficial. O trabalho relacionado foi publicado na National Science Review .

Seus resultados experimentais mostraram que as interfaces torcidas ainda podem sofrer reconstrução atômica e afetar notavelmente a condutividade da superfície, mesmo quando estão embutidas 10 camadas atômicas abaixo da superfície. Para entender melhor a estrutura atômica do sistema multicamadas torcido, um sistema de grafeno multicamadas semelhante às amostras experimentais foi construído em um modelo de simulação de dinâmica molecular (MD), considerando com precisão as interações intercamadas.

Os resultados da simulação revelaram que, para interfaces torcidas de pequeno ângulo incorporadas no interior do material, a reconstrução atômica pode de fato ocorrer e promover a deformação rotacional no plano das camadas adjacentes de grafeno. No entanto, a deformação rotacional atômica da camada de grafeno decai gradualmente à medida que nos afastamos da interface torcida.

Com base nas estruturas atômicas reveladas em simulações MD, o grupo de pesquisa propôs um modelo de resistência ao espalhamento em série (modelo SSR) para quantificar a influência do estado de empilhamento do sistema multicamadas torcido em sua condutividade superficial.

O novo modelo permite que uma correlação entre a condutividade da superfície e a estrutura interna de empilhamento seja feita diretamente, o que é aplicável mesmo para amostras multicamadas torcidas com defeitos cristalinos complexos (por exemplo, deslocamentos). O trabalho fornece um meio simples, conveniente e de alta resolução para caracterizar as estruturas internas de empilhamento de materiais em camadas torcidas, o que é crucial para estudos fundamentais de estruturas empilhadas 2D e para o desenvolvimento de eletrônica torcida emergente.

Mais informações: Huan Wang et al, Deduzindo as interfaces internas do grafeno multicamadas torcido via condutividade de superfície regulada por moiré, National Science Review (2023). DOI:10.1093/nsr/nwad175
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