Van kinds af aan zijn we eraan gewend dat wanneer je de ene appel aan de andere toevoegt, je twee appels krijgt. Hetzelfde gebeurt met potloden, typemachines en ballonnen. En in de natuurkunde is dit niet noodzakelijk het geval. Als je twee films van monoatomaire dikte, zoals grafeen, dicht genoeg bij een kleine afstand brengt, krijg je nieuw materiaal.
In dit geval hebben we nog twee losse objecten, die in principe kunnen worden teruggetrokken. De interactie tussen hen is te wijten aan van der Waals-krachten - een relatief zwakke interatomaire elektromagnetische interactie. Het resultaat is een nieuw materiaal (heterostructuur) waarvan de eigenschappen niet zozeer worden bepaald door de chemische samenstelling, maar wel door de rangschikking van de lagen. Een film met twee (of meer) lagen kan worden gebogen en gedraaid - en dit leidt ook tot een verandering van de fysische eigenschappen.
Soortgelijke experimenten worden al jaren uitgevoerd met grafeen, maar grafeen is in dit geval niet erg interessant. Onder de omstandigheden die we gewend zijn, heeft het geen verboden opening die een stof in een halfgeleider verandert; er zijn speciale inspanningen nodig om het te maken. Maar er zijn andere materialen.
In dit geval gebruikten onderzoekers van de Universiteit van Sheffield (Groot-Brittannië) van der Waals-heterostructuren gemaakt van overgangsmetaal dichalcogeniden. Een kleine uitweiding is hier op zijn plaats. Chalcogenen zijn chemische elementen van de 16e groep van het periodiek systeem: een kolom die begint met zuurstof en zwavel vanaf de bovenkant en eindigt met radioactief livermorium. Er zijn veel overgangsmetalen, in het dagelijks leven kennen we koper, molybdeen en zink het meest.
De onderzoekers stelden een "sandwich" van lagen molybdeendisilenide (MoSe2) en wolfraamdisulfaat (WS2) samen. De geleidbaarheid van het resulterende materiaal veranderde periodiek op dezelfde manier als het moiré-effect verschijnt op twee gevouwen tule gordijnen.
Zoals professor Alexander Tartakovsky van de Sheffield University het uitdrukte: materialen beïnvloeden elkaar en veranderen elkaars eigenschappen, en ze moeten worden beschouwd als een volledig nieuw metamateriaal met unieke eigenschappen, dus één plus één geeft geen twee. De wetenschappers ontdekten ook dat de mate van hybridisatie sterk afhankelijk is van het verdraaien van de "sandwich", waarbij de afstand tussen de atoomroosters van elke laag verandert.
"We ontdekten dat het verdraaien van lagen in een heterostructuur een nieuwe supra-atomaire periodiciteit creëert, een moiré-superrooster genaamd", zegt Tartakovsky. Een moiré-superrooster met een twijningsafhankelijke periode bepaalt hoe de eigenschappen van twee halfgeleiders hybridiseren."
Professor Tartakovsky voegde eraan toe: “Er ontstaat een complexer beeld van de interactie van atomair dunne materialen in van der Waals heterostructuren. Dit is interessant omdat het toegang geeft tot een breed scala aan materiaaleigenschappen, zoals twist-tunable variabele geleidbaarheid, optische eigenschappen, magnetisme, etc. Dit kan en zal worden gebruikt als nieuwe vrijheidsgraden bij de ontwikkeling van apparaten op basis van tweedimensionale materialen.”
Promotie video:
U kunt de details lezen in een artikel gepubliceerd in Nature.
Sergey Sysoev