นักวิจัยที่มหาวิทยาลัยไรซ์ในสหรัฐอเมริกาได้เสนอวิธีใหม่ในการควบคุมคุณสมบัติทางแม่เหล็กและอิเล็กทรอนิกส์ของวัสดุสองมิติแบบชั้นเดียวที่เกี่ยวข้องกับการขึ้นหรือการตอกบนพื้นผิวคลื่นที่ออกแบบมาอย่างระมัดระวัง วิธีการนี้อาจเป็นทางเลือกที่ง่ายกว่าสำหรับเทคนิค “การบิด” ที่ซับซ้อน ซึ่งเกี่ยวข้องกับการหมุนสองชั้นที่ซ้อนกันโดยให้ความเคารพซึ่งกันและกันในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา นักฟิสิกส์ได้ทดลองเทคนิคที่ใช้การเชื่อมต่อระหว่างชั้นของวัสดุ 2 มิติอย่างอ่อนเพื่อเปลี่ยนพฤติกรรมของวัสดุ
ตัวอย่างที่น่าทึ่งอย่างหนึ่งคือ Twistronics ซึ่งผู้ทดลองปรับ
เปลี่ยนคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ของวัสดุ 2 มิติโดยเปลี่ยนมุมระหว่างเลเยอร์ ตัวอย่างเช่น กราฟีน (แผ่นอะตอมของคาร์บอนแบบ 2 มิติ) โดยปกติจะไม่มีช่องว่างของแถบอิเล็กทรอนิกส์ แต่จะพัฒนาขึ้นเมื่อสัมผัสกับวัสดุ 2 มิติชนิดอื่น ซึ่งก็คือโบรอนไนไตรด์หกเหลี่ยม (hBN)
เอฟเฟกต์ที่ผิดปกตินี้เกิดขึ้นเนื่องจากกราฟีนและ hBN มีค่าคงที่แลตทิซที่คล้ายกัน ซึ่งการซ้อนกันทำให้เกิดรูปแบบที่เรียกว่า Moiré superlattice หากเลเยอร์ถูกบิดออกจากแนวเดียวกัน ช่องว่างแถบจะหายไป ดังนั้น กราฟีนสามารถปรับจากสถานะโลหะเป็นเซมิคอนดักเตอร์ได้ง่ายๆ โดยการเปลี่ยนมุมของเลเยอร์ ในปี 2018 นักวิจัยจากสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ (MIT) ค้นพบว่าการวางกราฟีน 2 ชั้นพร้อมกับการหมุนสัมพัทธ์ที่ 1.1° หรือที่เรียกว่า “มุมมหัศจรรย์” – จะเปลี่ยนวัสดุโลหะที่ปกติให้กลายเป็นตัวนำยิ่งยวด
การรัดตาข่ายของวัสดุโดยธรรมชาติ
ในงานใหม่นี้ ทีมงานที่นำโดยบอริส ยาคอบสันแสดงให้เห็นว่าการปั๊มหรือสร้างวัสดุ 2 มิติบน hBN บนพื้นผิวที่เป็นหลุมเป็นบ่อจะทำให้โครงตาข่ายของวัสดุตึงตามธรรมชาติ สร้างสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กเทียมที่สามารถใช้ควบคุมสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าได้ คุณสมบัติโดยไม่ต้องบิด นักวิจัยพบว่าความเครียดสร้างสถานะแถบ “แบน” ที่ทำให้ hBN ที่เป็นฉนวนตามปกติกลายเป็นเซมิคอนดักเตอร์ สถานะเหล่านี้มีลักษณะเป็น 1 มิติในธรรมชาติ ซึ่งแตกต่างอย่างมากจากสถานะที่ได้จากวัสดุที่บิดเบี้ยว และสามารถใช้ประโยชน์ในการศึกษาฟิสิกส์ที่น่าตื่นเต้นของระบบควอนตัม 1 มิติได้
ได้เปรียบของเทคนิคที่นักวิจัยอธิบายไว้ในNature Communications
คือสามารถควบคุมการเสียรูปได้อย่างแม่นยำโดยใช้กระบวนการมาตรฐาน เช่น การพิมพ์หินด้วยลำแสงอิเล็กตรอนเพื่อสร้างลวดลายบนพื้นผิว “อันที่จริง การสร้างพื้นผิวที่เป็นหลุมเป็นบ่อโดยใช้กระบวนการนี้จะง่ายกว่าการบิด Bilayers 2 มิติของกราฟีนหรือโครงสร้าง heterostructures อื่นๆ เช่น hBN ให้มีความแม่นยำน้อยกว่าระดับเดียว” Sunny Guptaนักวิจัยหลังปริญญาเอกจาก Rice and กล่าว ผู้เขียนร่วมของการศึกษา
นักวิจัยได้พัฒนาแบบจำลองการคำนวณของการเสียรูปซึ่งเปรียบเทียบกับการห่อกระดาษรอบลูกบอล Yakobson อธิบายว่า “เป็นไปไม่ได้ที่จะทำสิ่งนี้โดยไม่ขยำกระดาษ” เนื่องจากภูมิประเทศที่แตกต่างกัน (รูปแบบความโค้ง) เพื่อให้ติดกับลูกบอล โดยหลักการแล้วแผ่นกระดาษควรมีรูปร่างผิดรูปอย่างมาก (หากไม่อนุญาตให้ฉีกขาด) ในทำนองเดียวกัน วัสดุ 2 มิติแบบแบนเมื่อปลูกหรือประทับบนพื้นผิวที่มีภูมิประเทศต่างกันจะถูกทำให้เครียดและปรับคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ของมัน”
การสร้างรูปแบบความเครียดต่างๆ
เมื่อใช้แบบจำลองนี้ ทีมงานพบว่าวัสดุพิมพ์ที่มีภูมิประเทศต่างกันสามารถใช้เพื่อสร้างรูปแบบความเครียดที่แตกต่างกัน ทำให้เกิดสถานะควอนตัมใหม่และฟังก์ชันการทำงานที่ไม่มีอยู่ในระบบ 2D แบบแบนโดยเนื้อแท้ Yakobson กล่าวเสริม “ด้วยการผสมผสานภูมิประเทศและการเสียรูป (ซึ่งเปรียบเสมือนการเพิ่ม ‘มิติ’ ใหม่ในวัสดุ 2 มิติ) ขณะที่เราแสดงในงานของเรา เราสามารถสร้างเฟสควอนตัมใหม่ เช่น แถบอิเล็กทรอนิกส์แบบเรียบและชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ 1 มิติที่สัมพันธ์กันอย่างมาก” เขา บอกPhysics World
สถานะดังกล่าวซึ่งเป็นที่ต้องการของนักฟิสิกส์ มักจะแสดงคุณสมบัติเฉพาะ เช่น อำนาจแม่เหล็กและตัวนำยิ่งยวด การสร้างพวกมันเทียมเป็นสาขาการวิจัยที่มีการใช้งานสูง แต่เป็นการยากที่จะทำผ่านการบิด เนื่องจากระบบบิดต้องใช้วัสดุสองชั้นและการควบคุมมุมบิดอย่างระมัดระวังระหว่างกัน ในทางตรงกันข้าม เทคนิคใหม่นี้สามารถใช้ได้แม้ในวัสดุชั้นเดียว “แนวทางที่เรานำเสนอในการรวมการปรับแต่งภูมิประเทศและวัสดุ 2 มิติจะเอาชนะข้อจำกัดหลายประการของระบบ Moiré ในปัจจุบัน และช่วยให้เราสำรวจฟิสิกส์ในระบบ 1 มิติ ซึ่งไม่สามารถเข้าถึงได้โดยส่วนใหญ่โดยการบิดวัสดุ 2 มิติ” Yakobson สรุป
การใช้ภูมิประเทศเพื่อปรับเปลี่ยนคุณสมบัติของวัสดุ 2 มิติเป็นทิศทางการวิจัยใหม่ และในมุมมองของ Yakobson ขอบเขตที่กว้างหมายความว่าในที่สุดแล้วจะสามารถดึงดูดความสนใจได้เช่นเดียวกับระบบ bilayer แบบ 2 มิติ “ในขั้นต่อไปของงานของเรา เราต้องการสำรวจว่าลักษณะคลื่นของภูมิประเทศส่งผลต่อคุณสมบัติของวัสดุ 2 มิติที่หลากหลายซึ่งมีคุณสมบัติเชิงหน้าที่โดยธรรมชาติ เช่น ความเป็นแม่เหล็กและพฤติกรรมทอพอโลยีแบบอิเล็กทรอนิกส์อย่างไร” เขาเผย “ที่สำคัญ เรายังต้องการที่จะทดลองระบบฟิสิกส์ของวัสดุที่เราได้เสนอ ‘สูตรอาหาร’ ในการศึกษานี้ด้วย”
แนะนำ : รีวิวซีรี่ย์เกาหลี | ลายสัก | รีวิวร้านอาหาร | โทรศัพท์มือถือ ราคาถูก | เรื่องย่อหนัง
