Washington Üniversitesi liderliğindeki bir ekip, bir grafen tabakasını toplu grafit üzerine küçük bir bükülme açısıyla (üstte) istifleyerek, grafen-grafit arayüzünde “egzotik” özellikler bulunduğunu keşfetti ( sarı) grafitin kendisine sızabilir. Kredi: Ellis Thompson
Washington Üniversitesi tarafından yapılan çığır açıcı bir araştırma, 3 boyutlu bir malzeme olan grafitin, 2 boyutlu muadili olan grafenin özelliklerine sahip olacak şekilde manipüle edilebileceğini göstermiştir. Bu, diğer dökme malzemelerin potansiyel modifikasyonunun 2B benzeri özellikler sergilemesinin önünü açar ve potansiyel olarak teknolojik yeniliklerin sınırlarını genişletir.
2B Malzemelerin Potansiyelini Keşfetme
Uzun yıllar boyunca bilim adamları, tek bir atom tabakasından oluşan iki boyutlu malzemelerin bilgi işlem, iletişim ve enerji gibi çeşitli alanlarda devrim yaratma potansiyelini keşfettiler. Bu malzemeler içinde, elektronlar gibi atom altı parçacıklar yalnızca iki boyutta hareket edebilir, bu da alışılmadık elektron davranışına ve sözde “egzotik” özelliklere yol açar. Bunlar, tuhaf manyetizma biçimlerini, süper iletkenliği ve elektronlar arasındaki diğer toplu davranışları içerir; bunların tümü bilgi işlem, iletişim, enerji ve diğer alanlarda yararlı olabilir.
Geleneksel olarak, araştırmacılar, bu egzotik 2B özelliklerin yalnızca karmaşık 3B atomik yapıları nedeniyle farklı davranışlar sergileyen bu malzemelerin sözde “toplu” versiyonları ile tek katmanlı levhalar veya kısa yığınlar halinde bulunur.
2B Malzemelerde Beklenmedik Bir Buluş
Yukarıdaki varsayımın aksine, Washington Üniversitesi liderliğindeki bir ekip tarafından 19 Temmuz’da Nature’da yayınlanan çığır açan bir çalışma, günlük kurşun kalemlerde bulunan toplu, 3 boyutlu bir malzeme olan grafiti 2 boyutlu muadiline benzer özelliklerle donatmanın mümkün olduğunu gösterdi. , grafen. Ekip, bu atılımın beklenmedik olmasının yanı sıra, yaklaşımının benzer tipteki dökme malzemelerin de 2B benzeri özellikler kazanıp kazanamayacağını test etmek için kullanılabileceğine inanıyor. Eğer öyleyse, bilim adamlarının teknolojik devrimleri körükleyecek tek kaynağı 2D sayfalar olmayacaktır. Toplu, 3B malzemeler de aynı derecede yararlı olabilir.
“Tek katmanı tek katman üzerine veya iki katmanı iki katman üzerine yığmak, birkaç yıldır 2B malzemelerde yeni fiziğin kilidini açmanın odak noktası olmuştur. Bu deneysel yaklaşımlarda, pek çok ilginç özelliğin ortaya çıktığı yer burasıdır,” dedi. “Ama katman eklemeye devam ederseniz ne olur? Sonunda durması gerekiyor, değil mi? Sezginin önerdiği şey bu. Ancak bu durumda sezgi yanlıştır. 2B özellikleri 3B malzemelerle karıştırmak mümkündür.”
3B Malzemelerde Yeni Fiziği Keşfetmek
Osaka Üniversitesi’ndeki akademisyenler ve Japonya’daki Ulusal Malzeme Bilimi Enstitüsü’nden oluşan araştırma ekibi, bir 2B malzemeleri işlemek için yaygın bir yöntem. 2D sayfaları küçük bir bükülme açısıyla istiflediler. Araştırmacılar, ince, toplu bir grafit kristalinin üzerine tek bir grafen tabakası yerleştirdiler ve ikisi arasında yaklaşık 1 derecelik bir bükülme açısı getirdiler. Yalnızca bükülmüş arayüzde değil, aynı zamanda toplu grafit içinde de yeni ve beklenmedik elektriksel özellikler buldular.
UW Clean Energy’de öğretim üyesi olan Yankowitz, bu özellikleri oluşturmak için bükülme açısının kritik olduğunu açıkladı. Enstitüsü ve UW Nano Mühendislik Sistemleri Enstitüsü. 2D levhalar arasındaki, iki grafen tabakası gibi bir bükülme açısı, elektronlar gibi yüklü parçacıkların akışını değiştiren ve malzemede egzotik özelliklere neden olan hareli bir desen oluşturur.
Eşi Görülmemiş Sonuçlar ve Gelecekteki Olasılıklar{8 }
Grafit ve grafen ile yapılan deneylerde, büküm açısı ayrıca hareli bir desen oluşturarak şaşırtıcı sonuçlar verdi. Yalnızca grafen-grafit arayüzünde uygulanan bir bükülme, tüm grafit malzemenin elektriksel özelliklerini değiştirdi. Bir manyetik alan uygulandığında, grafit kristalinin derinliklerindeki elektronlar, bükülmüş arayüzdekilere benzer olağandışı özellikler sergiledi. Esasen, tek bükümlü grafen-grafit arayüzü, toplu grafitin geri kalanıyla ayrılmaz bir şekilde karıştı.
“Hareli deseni yalnızca grafitin yüzeyinde oluşturuyor olsak da, ortaya çıkan özellikler bütünü kaplıyordu. UW’de fizik alanında doktora sonrası araştırmacı olan ortak baş yazar Dacen Waters, “kristal” dedi.
2B sayfalar için hareli desenler, kuantum hesaplama ve diğer uygulamalar için yararlı olabilecek özellikler üretir. 3B malzemelerde benzer olguları harekete geçirmek, maddenin olağandışı ve egzotik hallerini incelemek ve bunları laboratuvardan çıkarıp gündelik hayatımıza nasıl taşıyacağımız konusunda yeni yaklaşımların kilidini açar.
“Kristalin tamamı bu 2B halini alır,” dedi ortak baş yazar Ellis Thompson, fizik alanında UW doktora öğrencisi. “Bu, dökme bir malzemede elektron davranışını etkilemenin temelde yeni bir yolu.”
Yankowitz ve ekibi, grafen ile dökme grafit kristali arasında bir bükülme açısı oluşturma yaklaşımlarının 2D-3D oluşturmak için kullanılabileceğine inanıyor. tungsten ditelluride ve zirkonyum pentatellirid dahil olmak üzere kardeş malzemelerinin melezleri. Bu, tek bir 2B arayüzü kullanarak geleneksel dökme malzemelerin özelliklerinin yeniden yapılandırılmasına yönelik yeni bir yaklaşımın kilidini açabilir.
“Bu yöntem, 2B ve 3B karışık malzemelerde heyecan verici yeni fiziksel olguları incelemek için gerçekten zengin bir oyun alanı haline gelebilir. özellikler” dedi. 13}
Kağıt üzerindeki ortak yazarlar, her ikisi de Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü’nde UW lisansüstü öğrencisi Esmeralda Arreguin-Martinez ve UW doktora sonrası araştırmacı Yafei Ren’dir; UW malzeme bilimi ve mühendisliği yardımcı doçenti Ting Cao; UW fizik profesörü ve malzeme bilimi ve mühendisliği başkanı Di Xiao; Osaka Üniversitesi’nden Manato Fujimoto; ve Japonya Ulusal Malzeme Bilimi Enstitüsü’nden Kenji Watanabe ve Takashi Taniguchi. Araştırma, Ulusal Bilim Vakfı tarafından finanse edildi; ABD Enerji Bakanlığı; UW Temiz Enerji Enstitüsü; Milli İstihbarat Dairesi Başkanlığı; Japonya Bilim ve Teknoloji Ajansı; Japonya Bilimi Teşvik Derneği; Japon Eğitim, Kültür, Spor, Bilim ve Teknoloji Bakanlığı; ve M.J. Murdock Charitable Trust.
Hibe numaraları:
- Ulusal Bilim Vakfı: DMR-2041972, MRSEC-1719797, DGE-2140004
- ABD. Enerji Bakanlığı: DE-SC0019443
- Japonya Bilim ve Teknoloji Ajansı: JPMJCR20T3
- Japon Bilimi Teşvik Derneği: JP21J10775, JP23KJ0339, 19H05790, 20H00354 ve 21H05233
- Japonca Eğitim, Kültür, Spor, Bilim ve Teknoloji Bakanlığı: JPMXP0112101001