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Ein von der University of Washington geleitetes Team hat herausgefunden, dass durch das Stapeln einer Graphenschicht auf Massengraphit in einem kleinen Verdrehungswinkel (oben) „exotische“ Eigenschaften an der Graphen-Graphit-Grenzfläche (gelb) in den Graphit selbst übergehen können . Bildnachweis: Ellis Thompson
Eine bahnbrechende Studie der Universität von Washington hat gezeigt, dass Graphit, ein 3D-Material, so manipuliert werden kann, dass es Eigenschaften seines 2D-Gegenstücks besitzt, Graphen. Dies ebnet den Weg für die mögliche Modifizierung anderer Schüttgüter, sodass diese 2D-ähnliche Eigenschaften aufweisen, was möglicherweise die Grenzen für technologische Innovationen erweitert.
Erforschung des Potenzials von 2D-Materialien
Seit vielen Jahren erforschen Wissenschaftler das Potenzial zweidimensionaler Materialien, die aus einer einzigen Atomschicht bestehen, um verschiedene Bereiche wie Computer, Kommunikation und Energie zu revolutionieren. In diesen Materialien können sich subatomare Teilchen wie Elektronen nur in zwei Dimensionen bewegen, was zu ungewöhnlichem Elektronenverhalten und sogenannten „exotischen“ Eigenschaften führt. Dazu gehören bizarre Formen des Magnetismus, der Supraleitung und anderer kollektiver Verhaltensweisen zwischen Elektronen – die alle in der Informatik, Kommunikation, Energie und anderen Bereichen nützlich sein könnten.
Traditionell gingen Forscher davon aus, dass diese exotischen 2D-Eigenschaften nur in einschichtigen Schichten oder kurzen Stapeln vorkommen, wobei sogenannte „Bulk“-Versionen dieser Materialien aufgrund ihrer komplexen 3D-Atomstrukturen ein unterschiedliches Verhalten zeigen.
Ein unerwarteter Durchbruch bei 2D-Materialien
Entgegen der oben genannten Annahme wurde am 19. Juli eine bahnbrechende Studie veröffentlicht Natur von einem Team unter der Leitung der University of Washington gezeigt, dass es möglich ist, Graphit, ein 3D-Massenmaterial, das in alltäglichen Bleistiften vorkommt, mit Eigenschaften auszustatten, die seinem 2D-Gegenstück Graphen ähneln. Dieser Durchbruch war nicht nur unerwartet, das Team glaubt auch, dass sein Ansatz genutzt werden könnte, um zu testen, ob ähnliche Arten von Schüttgütern auch 2D-ähnliche Eigenschaften annehmen können. Wenn ja, werden 2D-Blätter nicht die einzige Quelle für Wissenschaftler sein, um technologische Revolutionen voranzutreiben. 3D-Massenmaterialien könnten genauso nützlich sein.
„Das Stapeln einer einzelnen Schicht auf einer einzelnen Schicht – oder zweier Schichten auf zwei Schichten – ist seit mehreren Jahren der Schwerpunkt bei der Erschließung neuer Physik in 2D-Materialien. Bei diesen experimentellen Ansätzen entstehen viele interessante Eigenschaften“, sagte der leitende Autor Matthew Yankowitz, Assistenzprofessor für Physik sowie Materialwissenschaft und -technik an der UW. „Aber was passiert, wenn man ständig Schichten hinzufügt? Irgendwann muss es aufhören, oder? Das legt die Intuition nahe. Aber in diesem Fall ist die Intuition falsch. Es ist möglich, 2D-Eigenschaften in 3D-Materialien zu mischen.“
Erforschung neuer Physik in 3D-Materialien
Das Forschungsteam, dem Wissenschaftler der Universität Osaka und des National Institute for Materials Science in Japan angehörten, adaptierte eine gängige Methode zur Manipulation von 2D-Materialien. Sie stapelten 2D-Blätter in einem kleinen Drehwinkel übereinander. Die Forscher platzierten eine einzelne Graphenschicht auf einem dünnen, massiven Graphitkristall und führten einen Verdrehungswinkel von etwa 1 Grad zwischen den beiden ein. Sie fanden neuartige und unerwartete elektrische Eigenschaften nicht nur an der verdrillten Grenzfläche, sondern auch innerhalb der Graphitmasse.
Der Verdrehungswinkel sei entscheidend für die Erzeugung dieser Eigenschaften, erklärte Yankowitz, der auch Fakultätsmitglied am UW Clean Energy Institute und am UW Institute for Nano-Engineered Systems ist. Ein Verdrehungswinkel zwischen 2D-Schichten, wie z. B. zwei Graphenschichten, erzeugt ein sogenanntes Moiré-Muster, das den Fluss von wie Elektronen geladenen Teilchen verändert und dem Material exotische Eigenschaften verleiht.
Beispiellose Ergebnisse und zukünftige Möglichkeiten
Auch bei Experimenten mit Graphit und Graphen induzierte der Verdrehungswinkel ein Moiré-Muster, was zu überraschenden Ergebnissen führte. Eine nur an der Graphen-Graphit-Grenzfläche eingeführte Verdrehung veränderte die elektrischen Eigenschaften des gesamten Graphitmaterials. Wenn ein Magnetfeld angelegt wurde, zeigten Elektronen tief im Graphitkristall ungewöhnliche Eigenschaften, die denen an der verdrillten Grenzfläche ähnelten. Im Wesentlichen vermischte sich die einzelne verdrehte Graphen-Graphit-Grenzfläche untrennbar mit dem Rest der Graphitmasse.
„Obwohl wir das Moiré-Muster nur auf der Oberfläche des Graphits erzeugten, wirkten sich die resultierenden Eigenschaften auf den gesamten Kristall aus“, sagte Co-Hauptautor Dacen Waters, ein Postdoktorand in Physik an der UW.
Bei 2D-Blättern erzeugen Moiré-Muster Eigenschaften, die nützlich sein könnten Quanten-Computing und andere Anwendungen. Die Induktion ähnlicher Phänomene in 3D-Materialien eröffnet neue Ansätze für die Untersuchung ungewöhnlicher und exotischer Materiezustände und wie wir sie aus dem Labor in unser Alltagsleben übertragen können.
„Der gesamte Kristall nimmt diesen 2D-Zustand an“, sagte Co-Hauptautor Ellis Thompson, ein UW-Doktorand in Physik. „Dies ist eine grundlegend neue Möglichkeit, das Elektronenverhalten in einem Massenmaterial zu beeinflussen.“
Yankowitz und sein Team glauben, dass ihr Ansatz zur Erzeugung eines Verdrehungswinkels zwischen Graphen und einem massiven Graphitkristall genutzt werden könnte, um 2D-3D-Hybride seiner Schwestermaterialien, einschließlich Wolframditellurid und Zirkoniumpentatellurid, zu erzeugen. Dies könnte einen neuen Ansatz zur Neugestaltung der Eigenschaften herkömmlicher Schüttgüter mithilfe einer einzigen 2D-Schnittstelle eröffnen.
„Diese Methode könnte ein wirklich reichhaltiger Spielplatz für die Untersuchung aufregender neuer physikalischer Phänomene in Materialien mit gemischten 2D- und 3D-Eigenschaften werden“, sagte Yankowitz.
Referenz: „Gemischtdimensionale Moiré-Systeme aus verdrehten graphitischen Dünnfilmen“ 19. Juli 2023, Natur.
DOI: 10.1038/s41586-023-06290-3
Co-Autoren auf dem Papier sind die UW-Doktorandin Esmeralda Arreguin-Martinez und die UW-Postdoktorandin Yafei Ren, beide in der Abteilung für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik; Ting Cao, UW-Assistenzprofessor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen; Di Xiao, UW-Professor für Physik und Lehrstuhl für Materialwissenschaften und -technik; Manato Fujimoto von der Universität Osaka; und Kenji Watanabe und Takashi Taniguchi vom National Institute for Materials Science in Japan. Die Forschung wurde von der National Science Foundation finanziert; das US-Energieministerium; das UW Clean Energy Institute; das Büro des Direktors des Nationalen Geheimdienstes; die japanische Wissenschafts- und Technologieagentur; die Japanische Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaft; das japanische Ministerium für Bildung, Kultur, Sport, Wissenschaft und Technologie; und der MJ Murdock Charitable Trust.
Fördernummern:
- National Science Foundation: DMR-2041972, MRSEC-1719797, DGE-2140004
- US-Energieministerium: DE-SC0019443
- Japanische Wissenschafts- und Technologieagentur: JPMJCR20T3
- Japanische Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaft: JP21J10775, JP23KJ0339, 19H05790, 20H00354 und 21H05233
- Japanisches Ministerium für Bildung, Kultur, Sport, Wissenschaft und Technologie: JPMXP0112101001
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