扭曲的電子設備為可調諧的二維材料打開了大門

二維(2D)材料(如石墨烯)具有獨特的電子，磁性，光學和機械性能，有望推動從電子，能源，材料到醫藥等領域的創新。哥倫比亞大學的研究人員報告了一項可能徹底改變該領域的重大進展，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。

在今天在線發表在“ 科學”雜志上的一篇論文中，該團隊展示了一種新穎的器件結構，不僅能夠對扭曲層器件中的角度方向進行前所未有的控制，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。可以在單個設備中研究電子，光學和機械特性的角度。

在Cory Dean(哥倫比亞大學物理系)和James Hone(機械工程，哥倫比亞工程學院)的帶領下，該團隊建立在他們之前率先將石墨烯和其他2D材料機械地層疊在一起的技術上，形成新的結構。“這種機械裝配工藝使我們可以混合和匹配不同的晶體來構造全新的材料，通常具有與構成層根本不同的特性，”哥倫比亞材料研究科學與工程中心(MRSEC)負責人Hone說。這些異質結構。“有數百種2D材料可供選擇，設計可能性非常大。”

最近的研究表明，層之間的旋轉對準在確定材料組合時出現的新特性中起著至關重要的作用。例如，當將導電石墨烯置于絕緣氮化硼頂部并且晶格完全對準時，石墨烯形成帶隙。在非零角度，帶隙消失并恢復固有的石墨烯性質。就在今年3月，麻省理工學院的研究人員報告了一項突破性的發現，即兩個堆疊的石墨烯層可以表現出奇異的特性，包括超導性，當它們之間的扭轉角設置為1.1度時，被稱為“魔角”。

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

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。哥倫比亞集團通過設計一種裝置結構來利用低摩擦特性，在這種裝置結構中，它們可以有意且可控制地改變旋轉角度，而不是防止旋轉。

該團隊使用石墨烯/氮化硼異質結構來證明其技術的應用范圍。在這些結構中，當這些層不是結晶學對齊時，材料保持其原始特性(例如，石墨烯將具有半金屬特征)但是當層對齊時，石墨烯的性質改變，打開能隙并表現為半導體。研究人員表明，這種異質結構特性的微調會影響其光學，機械和電子響應。

“值得注意的是，我們證明石墨烯中觀察到的能隙是可調的，只需通過改變層間的方向就可以根據需要打開或關閉，”Rebeca Ribeiro說道，他在哥倫比亞大學擔任博士后研究員，負責這項工作。現在是法國納米科學和納米技術中心(C2N-CNRS)的CNRS研究科學家。“這種能隙的調整不僅代表了石墨烯在各種應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而顯著變化”

從技術角度來看，通過改變扭轉角度來調整層狀材料的性質的能力為單個材料平臺提供了執行各種功能的可能性。例如，電子電路由有限數量的部件構成，包括金屬導體，絕緣體，半導體和磁性材料。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。相比之下，可以在本地“扭曲”以實現這些組件中的每一個的單一材料可以實現重要的新工程機會。

此外，通過機械扭轉動態調整系統的能力提供了新的切換功能，可以實現全新的設備應用。例如，傳統開關通常在兩個明確定義的狀態(開或關，磁或非等)之間變化。哥倫比亞平臺可以在任意數量的互補狀態之間切換。

Dean和Hone現在正在使用他們的新技術來研究2D材料的其他組合，其中可以通過角度對齊來調整屬性。他們特別關注扭曲雙層石墨烯中最近發現的超導性，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補充道，“我們的研究表明了一種新的自由度，即層間的旋轉方向，這在傳統的半導體異質結構中是不存在的。這是半導體領域的一個罕見場合，我們正在真正開辟一條新的道路，并打開通過扭轉結構，可以改變材料特性的全新研究領域的大門。“