Los materiales bidimensionales 2D como el grafeno tienen propiedades electrónicas, magnéticas, ópticas y mecánicas únicas que prometen impulsar la innovación en áreas que van desde la electrónica hasta la energía, desde los materiales hasta la medicina. Los investigadores de la Universidad de Columbia informan un avance importante que puede revolucionar elcampo, un dispositivo "twistronic" cuyas características se pueden variar simplemente variando el ángulo entre dos capas 2D diferentes colocadas una encima de la otra.
En un artículo publicado en línea hoy en ciencia , el equipo demuestra una estructura de dispositivo novedosa que no solo les da un control sin precedentes sobre la orientación angular en dispositivos de capa retorcida, sino que también les permite variar este ángulo in situ, de modo que los efectos del ángulo de giro en electrónica, óptica,y las propiedades mecánicas se pueden estudiar en un solo dispositivo.
Dirigido por Cory Dean física, Universidad de Columbia y James Hone ingeniería mecánica, Ingeniería de Columbia, el equipo se basó en técnicas que previamente fueron pioneras en capas mecánicas de grafeno y otros materiales 2D, uno encima de otro, para formar nuevos"Este proceso de ensamblaje mecánico nos permite mezclar y unir diferentes cristales para construir materiales completamente nuevos, a menudo con propiedades fundamentalmente diferentes de las capas constituyentes", dice Hone, líder del Centro de Ciencia e Ingeniería de Investigación de Materiales de Columbia MRSEC, que investigalas propiedades de estas heteroestructuras ". Con cientos de materiales 2D disponibles, las posibilidades de diseño son enormes".
Estudios recientes han demostrado que la alineación rotacional entre las capas juega un papel fundamental en la determinación de las nuevas propiedades que surgen cuando se combinan los materiales. Por ejemplo, cuando el grafeno conductor se coloca encima del nitruro de boro aislante con las redes cristalinas perfectamente alineadas,el grafeno desarrolla una brecha de banda. En ángulos distintos de cero, la brecha de banda desaparece y se recuperan las propiedades intrínsecas del grafeno. En marzo pasado, los investigadores del MIT informaron sobre el descubrimiento innovador de que dos capas apiladas de grafeno pueden exhibir propiedades exóticas, incluida la superconductividad cuando el giroel ángulo entre ellos se establece en 1.1 grados, denominado "ángulo mágico"
En enfoques anteriores para fabricar estructuras con capas rotacionalmente desalineadas, el ángulo se estableció durante el proceso de ensamblaje. Esto significaba que una vez que se hizo el dispositivo, sus propiedades fueron reparadas. "Encontramos este enfoque frustrante, ya que los errores muy pequeños en la alineaciónpodría dar resultados completamente diferentes ", dice Dean." Sería genial hacer un dispositivo en el que pudiéramos estudiar sus propiedades mientras rotábamos continuamente sus capas y la pregunta era, ¿cómo hacer esto? "
Los investigadores de Columbia se dieron cuenta de que la respuesta era aprovechar la baja fricción que existe en la interfaz entre las capas, que se mantienen unidas por las fuerzas de van der Waals que son mucho más débiles que los enlaces atómicos dentro de cada capa.La fricción, que hace que los materiales 2D sean muy buenos como lubricantes sólidos, hace que el ensamblaje controlado en un ángulo deseado sea muy difícil. El grupo Columbia utilizó la característica de baja fricción para su ventaja al diseñar una estructura de dispositivo en la que, en lugar de evitar la rotación, podríanvariar controlablemente el ángulo de rotación.
El equipo utilizó heteroestructuras de grafeno / nitruro de boro para demostrar el alcance de su técnica. En estas estructuras, cuando las capas no están alineadas cristalográficamente, los materiales conservan sus propiedades originales por ejemplo, el grafeno tendrá un carácter semimetálico peroCuando las capas están alineadas, las propiedades del grafeno cambian, abriendo una brecha de energía y comportándose como un semiconductor. Los investigadores demostraron que este ajuste fino de las propiedades de la heteroestructura afecta sus respuestas ópticas, mecánicas y electrónicas.
"Notablemente, demostramos que la brecha de energía observada en el grafeno es ajustable y puede activarse o desactivarse a pedido simplemente cambiando la orientación entre las capas", dice Rebeca Ribeiro, quien dirigió este trabajo como investigadora postdoctoral enColumbia y ahora es un científico investigador del CNRS en el Centro Francés de Nanociencia y Nanotecnología C2N-CNRS. "El ajuste de esta brecha energética no solo representa un paso importante hacia el uso futuro del grafeno en diversas aplicaciones, sino que también proporciona un enfoque generaldemostración en la que las propiedades del dispositivo de los materiales 2D varían drásticamente con la rotación "
Desde un punto de vista tecnológico, la capacidad de ajustar las propiedades de un material en capas variando el ángulo de torsión brinda la posibilidad de que una única plataforma de material realice una variedad de funciones. Por ejemplo, los circuitos electrónicos se construyen a partir de un número finitode componentes que incluyen conductores metálicos, aislantes, semiconductores y materiales magnéticos. Este proceso requiere la integración de una variedad de materiales diferentes y puede plantear un desafío de ingeniería significativo. En contraste, un solo material que puede ser "retorcido" localmente para realizar cada uno de estoslos componentes podrían permitir nuevas oportunidades de ingeniería significativas.
Además, la capacidad de sintonizar dinámicamente un sistema con torsión mecánica ofrece una nueva capacidad de conmutación que podría permitir aplicaciones de dispositivos completamente nuevas. Por ejemplo, los interruptores tradicionales generalmente varían entre dos estados bien definidos encendido o apagado, magnético o no,etc. La plataforma Columbia podría permitir la posibilidad de cambiar entre un número arbitrario de estados complementarios.
Dean y Hone ahora están utilizando su nueva técnica para estudiar otras combinaciones de materiales 2D en los que las propiedades pueden ajustarse mediante alineación angular. Están observando particularmente el reciente descubrimiento de la superconductividad en grafeno bicapa retorcida y explorando si puede ser unCaracterística general de las bicapas retorcidas hechas de materiales 2D arbitrarios.
Dean agrega: "Nuestro estudio demuestra un nuevo grado de libertad, a saber, la orientación rotacional entre capas, que simplemente no existe en las heteroestructuras de semiconductores convencionales. Esta es una rara ocasión en el campo de semiconductores donde realmente estamos forjando un nuevo camino,y abre la puerta a un campo de investigación completamente nuevo donde las propiedades de los materiales pueden variarse simplemente girando la estructura "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Columbia . Original escrito por Holly Evarts. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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