二維(2D)材料(如石墨烯)具有獨(dú)特的電子，磁性，光學(xué)和機(jī)械性能，有望推動從電子，能源，材料到醫(yī)藥等領(lǐng)域的創(chuàng)新。哥倫比亞大學(xué)的研究人員報告了一項可能徹底改變該領(lǐng)域的重大進(jìn)展，這是一種“雙電子”裝置，其特征可以通過簡單地改變彼此疊置的兩個不同2D層之間的角度來改變。

在今天在線發(fā)表在“ 科學(xué)”雜志上的一篇論文中，該團(tuán)隊展示了一種新穎的器件結(jié)構(gòu)，不僅能夠?qū)εで鷮悠骷械慕嵌确较蜻M(jìn)行前所未有的控制，而且還允許它們在原位改變這個角度，從而使扭曲的效果更加明顯?？梢栽趩蝹€設(shè)備中研究電子，光學(xué)和機(jī)械特性的角度。

在Cory Dean(哥倫比亞大學(xué)物理系)和James Hone(機(jī)械工程，哥倫比亞工程學(xué)院)的帶領(lǐng)下，該團(tuán)隊建立在他們之前率先將石墨烯和其他2D材料機(jī)械地層疊在一起的技術(shù)上，形成新的結(jié)構(gòu)。“這種機(jī)械裝配工藝使我們可以混合和匹配不同的晶體來構(gòu)造全新的材料，通常具有與構(gòu)成層根本不同的特性，”哥倫比亞材料研究科學(xué)與工程中心(MRSEC)負(fù)責(zé)人Hone說。這些異質(zhì)結(jié)構(gòu)。“有數(shù)百種2D材料可供選擇，設(shè)計可能性非常大。”

最近的研究表明，層之間的旋轉(zhuǎn)對準(zhǔn)在確定材料組合時出現(xiàn)的新特性中起著至關(guān)重要的作用。例如，當(dāng)將導(dǎo)電石墨烯置于絕緣氮化硼頂部并且晶格完全對準(zhǔn)時，石墨烯形成帶隙。在非零角度，帶隙消失并恢復(fù)固有的石墨烯性質(zhì)。就在今年3月，麻省理工學(xué)院的研究人員報告了一項突破性的發(fā)現(xiàn)，即兩個堆疊的石墨烯層可以表現(xiàn)出奇異的特性，包括超導(dǎo)性，當(dāng)它們之間的扭轉(zhuǎn)角設(shè)置為1.1度時，被稱為“魔角”。

在先前制造具有旋轉(zhuǎn)未對準(zhǔn)層的結(jié)構(gòu)的方法中，在組裝過程中設(shè)定角度。這意味著一旦設(shè)備制造出來，它的屬性就得到了修復(fù)。“我們發(fā)現(xiàn)這種方法令人沮喪，因為對齊中的非常小的錯誤可能會產(chǎn)生完全不同的結(jié)果，”Dean說。“制作一個可以在不斷旋轉(zhuǎn)其層的同時研究其屬性的設(shè)備會很棒，所以問題是，如何做到這一點(diǎn)?”

哥倫比亞研究人員意識到，答案是利用層間界面處存在的低摩擦力，這些低摩擦力通過比每層內(nèi)原子鍵弱得多的范德華力保持在一起。這種低摩擦力使得2D材料作為固體潤滑劑非常好，使得在所需角度下的受控組裝非常困難。哥倫比亞集團(tuán)通過設(shè)計一種裝置結(jié)構(gòu)來利用低摩擦特性，在這種裝置結(jié)構(gòu)中，它們可以有意且可控制地改變旋轉(zhuǎn)角度，而不是防止旋轉(zhuǎn)。

該團(tuán)隊使用石墨烯/氮化硼異質(zhì)結(jié)構(gòu)來證明其技術(shù)的應(yīng)用范圍。在這些結(jié)構(gòu)中，當(dāng)這些層不是結(jié)晶學(xué)對齊時，材料保持其原始特性(例如，石墨烯將具有半金屬特征)但是當(dāng)層對齊時，石墨烯的性質(zhì)改變，打開能隙并表現(xiàn)為半導(dǎo)體。研究人員表明，這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)特性的微調(diào)會影響其光學(xué)，機(jī)械和電子響應(yīng)。

“值得注意的是，我們證明石墨烯中觀察到的能隙是可調(diào)的，只需通過改變層間的方向就可以根據(jù)需要打開或關(guān)閉，”Rebeca Ribeiro說道，他在哥倫比亞大學(xué)擔(dān)任博士后研究員，負(fù)責(zé)這項工作?，F(xiàn)在是法國納米科學(xué)和納米技術(shù)中心(C2N-CNRS)的CNRS研究科學(xué)家。“這種能隙的調(diào)整不僅代表了石墨烯在各種應(yīng)用中未來使用的重要一步，而且還提供了一種通用演示，其中2D材料的器件特性隨著旋轉(zhuǎn)而顯著變化”

從技術(shù)角度來看，通過改變扭轉(zhuǎn)角度來調(diào)整層狀材料的性質(zhì)的能力為單個材料平臺提供了執(zhí)行各種功能的可能性。例如，電子電路由有限數(shù)量的部件構(gòu)成，包括金屬導(dǎo)體，絕緣體，半導(dǎo)體和磁性材料。該過程需要集成各種不同的材料，并且可能帶來重大的工程挑戰(zhàn)。相比之下，可以在本地“扭曲”以實現(xiàn)這些組件中的每一個的單一材料可以實現(xiàn)重要的新工程機(jī)會。

此外，通過機(jī)械扭轉(zhuǎn)動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)的能力提供了新的切換功能，可以實現(xiàn)全新的設(shè)備應(yīng)用。例如，傳統(tǒng)開關(guān)通常在兩個明確定義的狀態(tài)(開或關(guān)，磁或非等)之間變化。哥倫比亞平臺可以在任意數(shù)量的互補(bǔ)狀態(tài)之間切換。

Dean和Hone現(xiàn)在正在使用他們的新技術(shù)來研究2D材料的其他組合，其中可以通過角度對齊來調(diào)整屬性。他們特別關(guān)注扭曲雙層石墨烯中最近發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)性，并探討它是否是由任意2D材料制成的扭曲雙層膜的一般特征。

Dean補(bǔ)充道，“我們的研究表明了一種新的自由度，即層間的旋轉(zhuǎn)方向，這在傳統(tǒng)的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)中是不存在的。這是半導(dǎo)體領(lǐng)域的一個罕見場合，我們正在真正開辟一條新的道路，并打開通過扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，可以改變材料特性的全新研究領(lǐng)域的大門。“