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Os pesquisadores destacaram a importância do empilhamento vertical de materiais bidimensionais, especialmente quando um pequeno ângulo de torção está presente, levando a fenômenos físicos únicos. Esta pesquisa abre caminho para uma compreensão mais profunda das estruturas empilhadas 2D, oferecendo avanços potenciais no domínio da eletrônica torcida.
Os cientistas desenvolveram um método para analisar as estruturas internas de materiais bidimensionais empilhados verticalmente, revelando reconstruções atômicas que influenciam as propriedades físicas. Esta pesquisa é promissora para o avanço da nossa compreensão e aplicação da eletrônica distorcida.
O empilhamento vertical de materiais bidimensionais (2D) para formar homo ou heteroestrutura de van der Waals tornou-se um meio eficaz para regular suas propriedades físicas e mecânicas. Em particular, quando um pequeno ângulo de torção está presente na interface empilhada, as estruturas 2D muitas vezes mostram muitos fenômenos físicos interessantes e até mágicos devido ao acoplamento único entre camadas.
No caso da bicamada grafeno com um pequeno ângulo de torção, a interface torcida sofrerá reconstrução atômica espontânea devido à competição entre a energia de empilhamento intercamadas e a energia de deformação elástica intracamada, conforme mostrado esquematicamente na Figura 1.
Figura 1. Esquema das estruturas atômicas antes e depois da reconstrução da bicamada torcida de grafeno. Crédito: ©Science China Press
Esta estrutura especial empilhada pode levar a muitos fenômenos inesperados, incluindo estado isolante de Mott, supercondutividade não convencional e ferromagnetismo espontâneo. Recentemente, descobriu-se que interfaces torcidas podem não apenas aparecer na camada superficial, mas também podem ser incorporadas dentro das estruturas de van der Waals, o que pode levar a comportamentos físicos mais ricos.
Para essas arquiteturas 2D interessantes, suas propriedades físicas são altamente sensíveis ao estado de empilhamento das camadas e interfaces internas. Infelizmente, como caracterizar com precisão a estrutura de empilhamento embutida ainda é um desafio até o momento. Além disso, se as interfaces torcidas incorporadas também sofreriam reconstrução atômica e quais impactos a reconstrução pode ter nas camadas atômicas vizinhas, bem como em todas as unidades empilhadas, são cientificamente intrigantes e permanecem inexplorados.
Pesquisa inovadora
Para responder a essas perguntas, o grupo do professor Qunyang Li na Universidade de Tsinghua e o grupo do professor Ouyang Wengen na Universidade de Wuhan desenvolveram um novo método baseado em microscopia de força atômica condutiva (c-AFM) para caracterizar e reconstruir o estado de empilhamento interno de material em camadas torcidas através de simples medições de condutividade superficial. O trabalho relacionado foi publicado em Revisão Nacional de Ciência.
Figura 2. (a) Um esquema da configuração experimental. (b) Imagens típicas de corrente medidas em amostras com interface torcida embutida em diferentes profundidades. (c) Mapas da deformação atômica em camadas individuais de grafeno calculadas por cálculos moleculares. Crédito: ©Science China Press
Seus resultados experimentais mostraram que as interfaces torcidas ainda podem sofrer reconstrução atômica e afetar notavelmente a condutividade da superfície, mesmo quando estão embutidas 10 camadas atômicas abaixo da superfície, como mostrado na Figura 2.
Para entender melhor a estrutura atômica do sistema multicamadas torcido, um sistema de grafeno multicamadas semelhante às amostras experimentais foi construído em um modelo de simulação de dinâmica molecular (MD), considerando com precisão as interações intercamadas. Os resultados da simulação revelaram que, para interfaces torcidas de pequeno ângulo incorporadas no interior do material, a reconstrução atômica pode de fato ocorrer e promover a deformação rotacional no plano das camadas adjacentes de grafeno. No entanto, a deformação rotacional atômica da camada de grafeno decai gradualmente à medida que se afasta da interface torcida, como mostrado na Figura 2.
Modelo proposto e suas implicações
Com base nas estruturas atômicas reveladas em simulações MD, o grupo de pesquisa propôs um modelo de resistência ao espalhamento em série (modelo SSR) para quantificar a influência do estado de empilhamento do sistema multicamadas torcido em sua condutividade superficial. O novo modelo permite que uma correlação entre a condutividade da superfície e a estrutura interna de empilhamento seja feita diretamente, o que é aplicável mesmo para amostras multicamadas torcidas com defeitos cristalinos complexos (por exemplo, deslocamentos).
Esta pesquisa fornece um meio simples, conveniente e de alta resolução para caracterizar as estruturas internas de empilhamento de materiais em camadas torcidas, o que é crucial para estudos fundamentais de estruturas empilhadas 2D e para o desenvolvimento de eletrônica torcida emergente.
Referência: “Deduzindo as interfaces internas do grafeno multicamadas torcido via condutividade de superfície regulada por moiré” por Huan Wang, Sen Wang, Shuai Zhang, Mengzhen Zhu, Wengen Ouyang e Qunyang Li, 19 de junho de 2023, Revisão Nacional de Ciência.
DOI: 10.1093/nsr/nwad175