Französische Physiker haben einen Weg entwickelt, um die elektronischen Eigenschaften von "verdrilltem" zweischichtigem Graphen zu kontrollieren, indem sie vorgeschlagen haben, jede der Schichten in einer fehlorientierten Struktur unabhängig voneinander zu dehnen. Dies erlaubt insbesondere, von der für Graphen traditionellen linearen Struktur elektronischer Bänder abzuweichen und Regionen mit flachen verbotenen Lücken zu erhalten, schreiben die Wissenschaftler in einem Artikel in Physical Review Letters.
Eine gängige Methode zur Steuerung der elektronischen Eigenschaften von Graphen ist die Erzeugung von Zweischichtstrukturen, bei denen eine Schicht durch Van-der-Waals-Kräfte mit einer anderen verbunden wird. Ein solches Zweischichtsystem hat gegenüber herkömmlichem einschichtigem Graphen einen wichtigen Vorteil – die Schichten darin können relativ zueinander gedreht werden. Diese Rotation führt zur Bildung von hexagonalen Moiré-Strukturen – zweidimensionalen Mustern, bei denen aufgrund der Fehlorientierung zweier Schichten eine zusätzliche Periode im Gitter erscheint, die um ein Vielfaches größer ist als die Periode der atomaren Graphenzelle.
Moiré-Muster in zweischichtigem Graphen mit ungestreckten Schichten
In einem solchen System gibt es einen Wechsel unterschiedlicher Ausrichtungen der beiden Schichten zueinander - das Atom der oberen Graphenschicht kann sich entweder über dem Atom der unteren Schicht befinden, oder über dem "Grube" zwischen zwei Atome. Unterschiedliche Ausrichtungsarten haben unterschiedliche Auswirkungen auf die Struktur der Energiezonen des Materials und somit ist es möglich, durch Änderung des Drehwinkels die elektronischen Eigenschaften des Materials zu steuern.
Französische Physiker um Vincent T. Renard von der Universität Grenoble-Alpes untersuchten eine andere Methode zur Kontrolle der elektronischen Eigenschaften von Doppelschicht-Graphen: Wissenschaftler schlugen vor, nicht nur eine Schicht relativ zur anderen zu drehen, sondern die Schichten auch unabhängig voneinander leicht zu dehnen. als Ergebnis gibt es einen leichten Unterschied zwischen den Perioden ihrer Kristallgitter.
Physiker haben in ihrer Arbeit eine Technik verwendet, mit der es möglich ist, jede der um 1,25 Grad gegeneinander gedrehten Schichten aus zweischichtigem Graphen entlang einer der Hauptrichtungen des Gitters zu verformen. Der Verformungsbetrag im Experiment überstieg einige Zehntelprozent nicht. Die Autoren der Arbeit weisen darauf hin, dass es bei zweischichtigem Graphen möglich ist, die Schichten unabhängig voneinander zu dehnen, da sie nicht durch eine kovalente Bindung, sondern durch eine relativ schwache Van-der-Waals-Wechselwirkung miteinander verbunden sind. Wie bei unverformtem Bilayer-Graphen wechselt die gebildete Struktur zwischen Zonen korrekter Ausrichtung zweier Schichten und Zonen, in denen die Schichten um eine halbe Periode gegeneinander verschoben sind; solche Zonen bilden jedoch ein komplexeres Gitter als ein sechseckiges Gitter.
Die Struktur von zweischichtigem Graphen, bei der die obere Schicht verformt ist und die untere nicht
Mit Rastertunnelmikroskopie und Raman-Spektroskopie haben Physiker untersucht, wie sich die räumliche und elektronische Struktur von Doppelschicht-Graphen bei einer solchen Dehnung verändert und die durch theoretische Berechnungen erhaltenen Daten bestätigt. Es stellte sich heraus, dass es mit der vorgeschlagenen Technik möglich ist, die für einschichtige Graphene charakteristische Struktur von Dirac-Kegeln (mit einer linearen Beziehung zwischen der Energie und dem Impuls eines Elektrons und einem verbotenen Nullband) in viel mehr umzuwandeln Komplexe Struktur. Die Forscher stellen fest, dass die resultierende Struktur sowohl Bereiche enthält, die für eine unverformte zweischichtige Moiré-Struktur charakteristisch sind, als auch neue Elemente. Insbesondere enthält es Bereiche mit einer flachen verbotenen Lücke von etwa 100 Millielektronenvolt Breite.
Physikern zufolge ist eine detailliertere theoretische Studie erforderlich, um die von ihnen untersuchten Strukturen zu beschreiben, aber die erhaltenen Ergebnisse deuten darauf hin, dass die vorgeschlagene Technik vielversprechend ist, um die elektronischen Eigenschaften von Graphenmaterialien in nanoelektronischen Geräten zu kontrollieren.
Die Möglichkeit, die gegenseitige Orientierung von Schichten in Graphenstrukturen zu ändern, ist ein wichtiges Werkzeug zur Steuerung der elektronischen Eigenschaften von nicht nur zweischichtigem, sondern auch dreischichtigem Graphen. Vor kurzem haben Wissenschaftler beispielsweise ein Verfahren zum Erhalten von Dreischicht-Graphen mit der gewünschten Schichtordnung vorgeschlagen, das es ermöglicht, elektronische Bänder mit der gewünschten Form und bekannten Bandlücke in Graphen zu erhalten.
