微调范德瓦尔斯异质结构中二维材料之间的扭曲

曼彻斯特大学的一组国际研究人员揭示了一种新方法，可以微调原子薄层之间的角度——“扭曲”——形成称为范德瓦尔斯异质结构的奇异人造纳米器件——并有助于加速下一代电子产品的发展.

团队负责人 Mishchenko 教授解释说，这项新技术可以实现原位动态旋转和操纵层叠在彼此之上的二维材料，以形成范德瓦尔斯异质结构——具有不寻常特性和令人兴奋的新现象的纳米级器件。

扭曲角的调整控制着二维材料中的拓扑结构和电子相互作用——这种过程被称为“扭曲电子学”，是近年来物理学中一个新兴的研究课题。这项由曼彻斯特领导的新研究将于今天发表在《科学进展》上。

“我们的技术使扭曲的范德华异质结构具有动态可调的光学、机械和电子特性。” 这部作品的主要作者杨亚平解释道。

Yaping Yang 补充说：“例如，这种技术可用于二维晶体的自主机器人操作以构建范德瓦尔斯超晶格，这将允许准确定位、旋转和操作二维材料以制造具有所需材料的材料。扭曲角，以微调范德华材料的电子和量子特性。”

二维晶体的相互扭曲层导致莫尔图案的形成，其中母体二维晶体的晶格形成超晶格。这种超晶格可以完全改变系统中电子的行为，导致观察到许多新现象，包括强电子关联、分形量子霍尔效应和超导性。

该团队通过成功制造异质结构来展示这项技术，其中石墨烯与六方氮化硼的顶部和底部封装层(被称为“白色石墨烯” )完美对齐，在两个界面形成双莫尔超晶格。

正如发表在Science Advances 上的那样，该技术由目标二维晶体上的聚合物抗蚀剂贴片和聚合物凝胶操纵器介导，可以精确、动态地控制二维材料的旋转和定位。

“我们的技术有可能将扭曲电子技术引入低温测量系统，例如，通过使用显微操纵器或微机电设备，”Artem Mishchenko 补充道。

研究人员使用带有聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 液滴的载玻片作为操纵器，将其固化并自然成形为半球几何形状。与此同时，他们有意通过标准电子束光刻在目标二维晶体的顶部沉积了外延聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA) 贴片。

在异质结构中操作目标薄片的步骤很容易遵循。通过降低聚合物凝胶手柄，PDMS 半球与 PMMA 贴片接触。当它们相互接触时，人们可以轻松地移动或旋转底部薄片表面上的目标二维晶体。二维薄片的这种平滑运动是基于两种晶体结构之间的超润滑性。

超润滑是一种现象，其中原子平面之间的摩擦根据某些条件消失。

即使在异质结构组装之后，操纵技术也能够连续调整层之间的扭曲角。人们可以根据需要将外延 PMMA 贴片设计成任意形状，通常采用适合目标薄片的几何形状。该操作技术方便且可重复，因为 PMMA 贴片可以很容易地被丙酮洗掉并通过光刻重新图案化。

通常，对于精心制作的 PDMS 半球，半球与二维晶体之间的接触面积取决于半球半径，并且对接触力高度敏感，因此难以精确控制目标二维晶体的运动.

“外延PMMA贴片在操纵技术中起着至关重要的作用。我们的技巧在于聚合物凝胶操纵器的接触面积精确地限制在外延聚合物层的图案形状上。这是实现精确控制的关键操纵，允许施加更大的控制力。” 合著者之一李继东说。

与其他二维材料操作技术相比，例如使用原子力显微镜 (AFM) 尖端推动具有专门制造的几何形状的晶体，原位扭曲电子技术是非破坏性的，并且可以操作薄片，而不管薄片的厚度如何，而AFM 尖端仅适用于厚薄片，可能会破坏薄薄片。

石墨烯和六方氮化硼的完美排列展示了该技术在扭曲电子学应用中的潜力。

使用原位技术，研究人员成功地旋转了氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结构中的二维层，以实现所有层之间的完美对齐。结果表明在异质结构的两个界面处形成了双莫尔超晶格。此外，研究人员还观察到二阶(复合)波纹的特征;双波纹产生的图案;超晶格。

这种具有完美对齐的石墨烯和氮化硼的异质结构展示了扭曲电子学中操纵技术的潜力。

“该技术可以很容易地推广到其他二维材料系统，并允许在任何远离相称制度的二维系统中进行可逆操作，”进行实验工作的 Yaping Yang 说。

Mishchenko 教授补充说：“我们相信我们的技术将开辟器件工程的新策略，并在二维准晶体、魔角平带和其他拓扑非平凡系统的研究中找到其应用。”

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