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低角度扭曲双层石墨烯的电导率异常

材料科学家可以控制材料的层间扭曲角,以提供一种强大的方法来调整二维(2-D)范德华材料的电子性能。在此类材料中,由于相邻层之间的耦合增强,电导率将随着扭曲角的减小而单调(恒定)增加。在中国的功能材料,工程,纳米系统和摩擦学领域的张帅和一个研究小组在一份新报告中,描述了一种在包含低扭曲角的双层石墨烯界面上非单调依赖于角度的垂直电导率的装置。垂直电导率随着扭曲角的减小而逐渐增强,但是,在扭曲角进一步减小之后,材料的电导率显着下降。科学家使用密度泛函理论(DFT)计算和扫描隧道显微镜揭示了异常行为(STM),并将结果归因于源自局部原子重建的平均载流子密度的异常降低。由于范德华相互作用能和界面处的弹性能之间的相互作用,可能会发生原子重构,从而产生有趣的结构。原子重构对低角度,扭曲的2-D van der Waals材料的垂直电导率具有显着影响。提供设计和优化其电子性能的新策略。

调整二维材料的电子特性

材料科学家已经证明了改变层间扭曲角的方法,以提供一种有效的策略来调节范德华结构的电子性能。最近的实验表明,二维范德华结构(例如石墨烯/石墨烯或石墨烯/石墨结)的层间电导率如何随着扭曲角的增加而单调降低。研究人员可以使用声子介导的层间传输机制解释这种单调的角度依赖性层间电导率。除了层间电导率,垂直电导率还可以使用电导原子力显微镜进行探测(c-AFM),其中结果显示了具有大扭曲系统的各种二维材料的相似趋势。最近对低角度扭曲双层石墨烯(TBG)的研究表明竞争性范德华相互作用和面内弹性会影响石墨烯的局部原子尺度重构,从而揭示非常规电子特性,例如超导性,相关的绝缘体和自发铁磁性。因此,研究扭曲的双层石墨烯(TBG)的垂直电导率并了解其如何随着扭曲角的发展而科学地吸引人。

在实验过程中,Zhang等。使用厚的六方氮化硼(h-BN)薄片作为基材,并使用化学气相沉积法生长双层石墨烯。在这些样品中,石墨烯的底层形成连续的多晶膜,而石墨烯的顶层仍为单晶石墨烯岛。这种独特的样品结构使他们能够研究大范围扭曲角的大量扭曲双层石墨烯畴。在进行导电AFM测量期间,该团队在导电探针和薄膜之间施加恒定的偏置电压,以连续监视设置中的电流。随着扭曲角的减小,科学家注意到扭曲的双层石墨烯的垂直电导率下降,这与先前研究中观察到的依赖于单调角度的电导率明显不同。

探索扭曲双层石墨烯(TBG)中的异常扭曲角依赖性

为了探索这一不寻常的功能,Zhang等人。对更多TBG样品进行了测量。当扭曲角从120度降低到5度时,TBG的电导率逐渐增加,与以前的报道一致。但是,当扭曲角降低到5度以下时,研究小组注意到电导率异常降低。为了排除六方氮化硼衬底的影响,他们将单层石墨烯以可控的低扭曲角转移到了石墨表面,并使用c-AFM(导电原子力显微镜)测量了垂直电导率,观察到类似的现象。不寻常的结果。然后,研究小组以更高的分辨率进行电导率测量,以检查扭曲角低于5度时电导率异常下降的原因。

为了了解复杂性,他们使用STM(扫描隧道显微镜)实验对扭曲角较低(范围从0.6度,1.1度到3.3度不等)的双层石墨烯样品进行了更高分辨率的莫尔和亚莫尔鳞片结构表征。莫尔超晶格是由以扭曲角和/或晶格失配堆叠的二维层产生的结构。根据STM测量,当扭曲角从3.3度降低到0.6度时,扭曲的双层石墨烯表面上的状态局部密度降低。双层石墨烯是一种半金属,可以采用所谓的“ AB堆叠结构”或罕见的“ AA堆叠结构”–预计彼此非常不同。在这种情况下,扭曲的双层石墨烯中具有低导电率和高导电率的区域分别分别对应于AB- / BA-和AA堆叠的区域。

理论计算

张等。我们还进行了理论计算,以了解莫尔超晶格结构和局部重建如何导致异常的垂直电导率。在所有情况下,AA堆积的区域都比AB堆积的区域表现出更好的导电性。该小组通过模拟量化了电导率随扭曲角的变化,从而再现了实验观察结果。科学家还研究了石墨烯-石墨烯层间电导率,以了解交叉行为的起源。使用通过DFT(密度泛函理论)计算,他们发现存在AA堆叠区域以增强局部载流子密度,这种现象是由于在莫尔超晶格结构的AA堆叠区域中较高的局部载流子容纳而产生的。

外表

这样,可以通过两个因素确定扭曲双层石墨烯(TBG)的垂直传输特性:包括表面载流子密度和层间隧穿势垒。高载流子密度和低隧穿势垒对于高电导率都是必不可少的。张帅和他的同事以TBG为例,发现范德华异质结构的垂直电导率对扭转角表现出非单调依赖性。当扭转角达到低于5度的阈值时,由于载流子密度显着下降,垂直电导率异常降低。这些发现强调了原子重建对二维界面垂直电导率的影响。该工作为优化双绞线的电气性能提供了指导光电领域中的双层石墨烯和其他二维范德华结构。

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