Ученые из США, Японии и Франции создали устройство, состоящее из находящихся в контакте слоев графена и гексагонального нитрида бора. Слои можно поворачивать относительно друг друга и благодаря этому управлять электрическими, оптическими и механическими свойствами образованной гетероструктуры, рассказывают исследователи в Science.

В двумерных материалах, таких как графен или гексагональный нитрид бора, присутствуют различные виды связей. В пределах атомной плоскости атомы связаны между собой прочными ковалентными связями, а между собой эти плоскости удерживаются через ван-дер-ваальсовы связи. Такой тип связи относительно слаб, плоскости можно отделять друг от друга, а также сдвигать или поворачивать. Поскольку при повороте взаимное расположение атомов плоскостей меняется, это приводит к изменению свойств материала, в том числе электрических. К примеру, благодаря повороту двух плоскостей графена друг относительно друга две группы ученых ранее смогли придать этому материалу свойства полупроводника и даже сверхпроводника.

В новой работе ученые под руководством Кори Дина (Cory Dean) из Колумбийского университета продолжили исследование влияние взаимного расположения атомных плоскостей двумерных материалов на их свойства, но использовали два разных материала. Оба материала — графен и нитрид бора — имеют гексагональную структуру, а периоды их решеток отличаются на 1,5 процента. Из-за этого несовпадения при нулевом угле поворота находящиеся рядом слои графена и нитрида бора образуют муарову сверхрешетку. Эта сверхрешетка меняет зонную структуру в слое графена, причем эти изменения зависят от периода сверхрешетки, который в свою очередь определяется углом поворота атомных плоскостей.

Муарова сверхрешетка, образованная при наложении двух материалов. Rebeca Ribeiro-Palau et al. / Science, 2018

В предыдущих работах, в которых различные группы ученых исследовали влияние угла поворота между плоскостями на свойства графена, этот угол задавался единожды после сборки слоев и его нельзя было менять. Ученые создали устройство, позволяющее менять угол поворота между слоями графена и нитрида бора на произвольную величину с точностью 0,2 градуса. Основная часть устройства состоит из двух частиц многослойного гексагонального нитрида бора, между которыми расположен слой графена.

Изначально на хлопьевидную частицу нитрида бора помещается слой графена, из которого затем с помощью плазмы вырезается нужная структура. Графен размещается под таким углом к нижнему слою нитрида бора, чтобы период муаровой сверхрешетки и ее влияние на зонную структуру графена были минимальными. Сверху на графен помещается шестерня, предварительно вырезанная их хлопьевидной частицы нитрида бора. На последнем этапе на края слоя графена наносятся металлические контакты, через которые ученые могут измерять его свойства.

Процесс создания устройства. Rebeca Ribeiro-Palau et al. / Science, 2018

Благодаря тому, что трение между графеном и нитридом бора низкое, шестерню можно сдвигать относительно слоя графена. Для этого авторы воспользовались кантилевером атомно-силового микроскопа, который упирается в зубец шестерни и поворачивает ее.

Схема поворота шестерни кантилевером атомно-силового микроскопа. Rebeca Ribeiro-Palau et al. / Science, 2018

Изображения шестерни с того же микроскопа, которым производился поворот. Rebeca Ribeiro-Palau et al. / Science, 2018

Исследователи продемонстрировали применимость устройства для изучения свойств графена на практике, измерив сопротивление графена, уровень отклонения кантилевера при сдвиге шестерни и установив пик рамановского рассеяния при различных углах между графеном и шестерней:

Изменение электрического сопротивления, уровня отклонения кантилевера и полуширины 2D-пика рамановского рассеяния в зависимости от угла между плоскостями. Rebeca Ribeiro-Palau et al. / Science, 2018

Недавно японские ученые создали аппарат, который также может упростить исследование свойств гетероструктур из двумерных материалов. Он может обнаруживать отдельные одноатомные пленки и собирать их в гетероструктуры, удерживаемые силами Ван-дер-Ваальса. С его помощью исследователи смогли собрать гетероструктуру из 29 чередующихся двумерных слоев графена и гексагонального нитрида бора

Автор: Григорий Копиев