扭曲的电子设备为可调谐的二维材料打开了大门

二维(2D)材料(如石墨烯)具有独特的电子，磁性，光学和机械性能，有望推动从电子，能源，材料到医药等领域的创新。哥伦比亚大学的研究人员报告了一项可能彻底改变该领域的重大进展，这是一种“双电子”装置，其特征可以通过简单地改变彼此叠置的两个不同2D层之间的角度来改变。

在今天在线发表在“ 科学”杂志上的一篇论文中，该团队展示了一种新颖的器件结构，不仅能够对扭曲层器件中的角度方向进行前所未有的控制，而且还允许它们在原位改变这个角度，从而使扭曲的效果更加明显。可以在单个设备中研究电子，光学和机械特性的角度。

在Cory Dean(哥伦比亚大学物理系)和James Hone(机械工程，哥伦比亚工程学院)的带领下，该团队建立在他们之前率先将石墨烯和其他2D材料机械地层叠在一起的技术上，形成新的结构。“这种机械装配工艺使我们可以混合和匹配不同的晶体来构造全新的材料，通常具有与构成层根本不同的特性，”哥伦比亚材料研究科学与工程中心(MRSEC)负责人Hone说。这些异质结构。“有数百种2D材料可供选择，设计可能性非常大。”

最近的研究表明，层之间的旋转对准在确定材料组合时出现的新特性中起着至关重要的作用。例如，当将导电石墨烯置于绝缘氮化硼顶部并且晶格完全对准时，石墨烯形成带隙。在非零角度，带隙消失并恢复固有的石墨烯性质。就在今年3月，麻省理工学院的研究人员报告了一项突破性的发现，即两个堆叠的石墨烯层可以表现出奇异的特性，包括超导性，当它们之间的扭转角设置为1.1度时，被称为“魔角”。

在先前制造具有旋转未对准层的结构的方法中，在组装过程中设定角度。这意味着一旦设备制造出来，它的属性就得到了修复。“我们发现这种方法令人沮丧，因为对齐中的非常小的错误可能会产生完全不同的结果，”Dean说。“制作一个可以在不断旋转其层的同时研究其属性的设备会很棒，所以问题是，如何做到这一点?”

哥伦比亚研究人员意识到，答案是利用层间界面处存在的低摩擦力，这些低摩擦力通过比每层内原子键弱得多的范德华力保持在一起。这种低摩擦力使得2D材料作为固体润滑剂非常好，使得在所需角度下的受控组装非常困难。哥伦比亚集团通过设计一种装置结构来利用低摩擦特性，在这种装置结构中，它们可以有意且可控制地改变旋转角度，而不是防止旋转。

该团队使用石墨烯/氮化硼异质结构来证明其技术的应用范围。在这些结构中，当这些层不是结晶学对齐时，材料保持其原始特性(例如，石墨烯将具有半金属特征)但是当层对齐时，石墨烯的性质改变，打开能隙并表现为半导体。研究人员表明，这种异质结构特性的微调会影响其光学，机械和电子响应。

“值得注意的是，我们证明石墨烯中观察到的能隙是可调的，只需通过改变层间的方向就可以根据需要打开或关闭，”Rebeca Ribeiro说道，他在哥伦比亚大学担任博士后研究员，负责这项工作。现在是法国纳米科学和纳米技术中心(C2N-CNRS)的CNRS研究科学家。“这种能隙的调整不仅代表了石墨烯在各种应用中未来使用的重要一步，而且还提供了一种通用演示，其中2D材料的器件特性随着旋转而显着变化”

从技术角度来看，通过改变扭转角度来调整层状材料的性质的能力为单个材料平台提供了执行各种功能的可能性。例如，电子电路由有限数量的部件构成，包括金属导体，绝缘体，半导体和磁性材料。该过程需要集成各种不同的材料，并且可能带来重大的工程挑战。相比之下，可以在本地“扭曲”以实现这些组件中的每一个的单一材料可以实现重要的新工程机会。

此外，通过机械扭转动态调整系统的能力提供了新的切换功能，可以实现全新的设备应用。例如，传统开关通常在两个明确定义的状态(开或关，磁或非等)之间变化。哥伦比亚平台可以在任意数量的互补状态之间切换。

Dean和Hone现在正在使用他们的新技术来研究2D材料的其他组合，其中可以通过角度对齐来调整属性。他们特别关注扭曲双层石墨烯中最近发现的超导性，并探讨它是否是由任意2D材料制成的扭曲双层膜的一般特征。

Dean补充道，“我们的研究表明了一种新的自由度，即层间的旋转方向，这在传统的半导体异质结构中是不存在的。这是半导体领域的一个罕见场合，我们正在真正开辟一条新的道路，并打开通过扭转结构，可以改变材料特性的全新研究领域的大门。“