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物理学家发现错位的碳片产生无与伦比的性能

一种由两个单原子厚的碳层组成的材料,以其有趣的和潜在的导电特性而吸引了全世界物理学家的注意力。德克萨斯大学达拉斯分校自然科学与数学学院物理学助理教授张凡博士和物理学博士生王启月在六月与耶鲁大学自然光子学的夏凤年博士小组发表了一篇文章,描述了扭曲的双层石墨烯传导电流的能力如何响应中红外光而变化。

从一层到两层

石墨烯是单层设置成扁平蜂窝图案,其中,每个六边形是通过在其顶点六个碳原子形成的碳原子组成。自2004年首次隔离石墨烯以来,科学家对它的独特性能进行了深入研究,以潜在地用于先进的计算机,材料和设备。

如果将两层石墨烯彼此堆叠,然后旋转一层,使各层稍微不对齐,则所得的物理结构(称为扭曲双层石墨烯)将产生与单层石墨烯显着不同的电子性能。一层或两个对齐的层。

张说:“石墨烯引起人们的兴趣已有大约15年的时间。” “研究一层很有趣,但是如果我们有两层,它们之间的相互作用将使物理学变得更加丰富和有趣。这就是为什么我们要研究双层石墨烯系统的原因。”

一个新领域的出现

当石墨烯层未对齐时,网格中出现了一种新的周期性设计,称为莫尔图案。莫尔条纹也是六边形,但可以由10,000多个碳原子组成。

Wang说:“两层石墨烯错位的角度-扭曲角-对材料的电子性能至关重要。” “扭曲角越小,莫尔条纹的周期性就越大。”

特定扭转角对电子行为的异常影响最早是由UT Austin物理学教授Allan MacDonald博士和Rafi Bistritzer博士于2011年提出的。Zhang见证了这一领域的诞生,当时他是MacDonald's小组的一名博士生。

张说:“当时,其他人并没有真正注意到这一理论,但是现在它已经可以说是物理学中最热门的话题了。”

在2011年的研究中,麦克唐纳(MacDonald)和比斯特里泽(Bistritzer)预测,电子的动能在石墨烯双层中消失,该双层石墨层的错位为所谓的1.1度“魔角”。2018年,麻省理工学院的研究人员证明了这一理论,发现将两个石墨烯层偏移1.1度会产生一个二维超导体,该超导体是一种无电阻且无能量损失的传导电流的材料。

在2019年《科学进展》(Science Advances)中的一篇文章中,Zhang和Wang以及俄亥俄州立大学的Jeanie Lau博士的研究小组表明,当偏移0.93度时,扭曲的双层石墨烯既表现出超导态又表现出绝缘态,从而大大拓宽了魔角。

Wang说:“在我们以前的工作中,我们看到了超导电性和绝缘性。这就是使扭曲双层石墨烯成为如此热门的领域-超导电性的原因。您可以操纵纯碳来实现超导这一事实令人惊奇且前所未有。”

UT达拉斯的新发现

在他最近的《自然光子学》研究中,Zhang和他在耶鲁大学的合作者研究了扭曲的双层石墨烯是否以及如何与中红外光相互作用,人类看不到但可以将其检测为热量。

Wang说:“光与物质之间的相互作用在许多设备中都很有用,例如,将阳光转化为电能。” “几乎每个物体都发出红外光,包括人,这种光可以用设备检测到。”

Zhang是理论物理学家,因此他和Wang着手确定中红外光如何影响扭曲的双层石墨烯中电子的电导。他们的工作涉及基于莫尔条纹的能带结构计算光吸收,该概念确定电子如何以机械方式在材料量子中移动。

他说:“石墨烯的研究已有15年之久。研究单层是有趣的,但是如果我们有两层,它们的相互作用将带来更丰富,更有趣的物理学。这就是为什么我们要研究双层石墨烯系统。”说。

Wang说:“有一种标准方法可以计算出常规晶体的能带结构和光吸收率,但这是一种人造晶体,因此我们不得不提出一种新方法。” Wang利用位于德克萨斯大学奥斯汀分校的超级计算机设施-德克萨斯高级计算中心的资源,计算了能带结构,并展示了材料如何吸收光。

耶鲁大学的小组制造了器件并进行了实验,结果表明,中红外光响应(由于光的照射而导致的电导增加)异常强,并且在1.8度的扭曲角处最大。强的光响应消失于小于0.5度的扭转角。

他说:“我们的理论结果不仅与实验结果相吻合,而且指出了一种机制,该机制从根本上与莫尔图案周期有关,该莫尔图案周期本身与两个石墨烯层之间的扭曲角有关。”

下一步

张说:“扭曲角显然对确定扭曲的双层石墨烯的性质非常重要。” “问题在于:我们可以将这种调整其他二维材料得到了前所未有的功能同样,我们可以结合光响应和扭曲的超导?双层石墨烯例如,可以闪耀着?光诱导或以某种方式调制超导是什么?学习会非常有趣。”

美国陆军研究办公室(ARO)固态电子学和电磁学项目经理Joe Qiu博士说:“这项新突破将有可能使新型基于石墨烯的红外探测器具有更高的灵敏度。”美国陆军作战能力发展司令部的陆军研究实验室。这些新的探测器将潜在地影响诸如夜视之类的应用,这对美国陆军至关重要。”

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