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Nov 08, 2023

ツイストグラファイトは材料開発に大きな可能性をもたらします

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物性物理学の分野であるツイストロニクスは、層間の角度を調整することによって 2D 材料特性を変更します。 コロンビア大学の研究者は、グラフェンリボンを使用してねじれ角とひずみを体系的に制御する技術を開発し、超伝導などの量子材料の挙動の研究を支援しました。

材料についてすべてを知っていると思いますか? 文字通り、ひねりを加えてみてください。 これが、「ツイトロニクス」と呼ばれる物性物理学の新興分野の主なアイデアであり、研究者らは、角度のわずかな変化 (1.1° から 1.2° という小さな変化) で、グラフェンなどの 2D 材料の特性を大幅に変化させています。積み重ねられた層の間。 例えば、グラフェンのねじれた層は、磁石のように、電気超伝導体のように、または超伝導体の反対の絶縁体のように作用するなど、単一のシートにはない振る舞いをすることが示されていますが、これらはすべてシート間のねじれ角のわずかな変化によるものです。

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理論的には、ツイスト角度を変更するノブを回すことで、任意のプロパティをダイヤルインできます。 しかし、現実はそれほど単純ではない、とコロンビアの物理学者コーリー・ディーン氏は言う。 グラフェンの 2 つのねじれた層は新しい材料のようになり得ますが、これらの異なる特性が現れる正確な理由は十分に理解されておらず、ましてや完全に制御できるものであることは言うまでもありません。

ディーンと彼の研究室は、物理学者がより体系的かつ再現可能な方法でグラフェンやその他の 2D 材料のねじれ層の基本特性を調査するのに役立つ可能性のある、シンプルな新しい製造技術を考案しました。 Science誌に寄稿したところによると、彼らは正方形のフレークではなくグラフェンの長い「リボン」を使用して、ねじれ角とひずみの両方に対する新しいレベルの予測可能性と制御を提供するデバイスを作成しています。

「何が起こるかを確認するために、10 の異なる角度を持つ 10 個の個別のデバイスを作成する必要はなくなりました。そして、歪みを制御できるようになりました。」

グラフェンデバイスは通常、わずか数平方マイクロメートルの原子ほど薄いグラフェンのフレークから組み立てられています。 結果として生じるシート間のねじれ角度は所定の位置に固定され、フレークを滑らかに重ね合わせるのは難しい場合があります。 「グラフェンをサランラップのようなものだと想像してください。2 つの部分を組み合わせると、ランダムな小さなしわや気泡ができます」と、この論文の共著者であるポスドクの Bjarke Jessen 氏は述べています。 これらの気泡やしわは、シート間のねじれ角度の変化とその間に発生する物理的歪みに似ており、素材にランダムな座屈、曲がり、挟み込みを引き起こす可能性があります。 これらの変化はすべて新しい動作を生み出す可能性がありますが、デバイス内およびデバイス間で制御するのは困難でした。

リボンは物事をスムーズにするのに役立ちます。 研究室の新しい研究は、原子間力顕微鏡の先端を少し押すだけで、グラフェンリボンを安定した円弧に曲げることができ、それを湾曲していない2番目のグラフェン層の上に平らに置くことができることを示した。 その結果、2 枚のシート間のねじれ角度がデバイスの長さ全体にわたって 0° から 5° まで連続的に変化し、歪みが全体に均一に分散され、ランダムな気泡やシワがなくなりました。 「何が起こるかを確認するために、10 の異なる角度を持つ 10 個の個別のデバイスを作成する必要はもうありません」と博士研究員で共著者の Maëlle Kapfer 氏は述べています。 「そして、以前のツイストデバイスにはまったく欠けていたひずみを制御できるようになりました。」

チームは特別な高解像度顕微鏡を使用して、デバイスがどの程度均一であるかを確認しました。 その空間情報を利用して、湾曲したリボンの形状に基づいてねじれ角度とひずみ値を単純に予測する機械モデルを開発しました。