시계 모델은 시침(상단 hBN), 분침(가운데 그래핀), 초침(하단 hBN) 사이의 회전 정렬을 보여줍니다. 상부 hBN, 중간 그래핀, 하부 hBn의 조합으로 시계 중앙에 모아레 초격자 구조가 형성됩니다. 크레딧: 싱가포르 국립대학교
물리학자들은 초파상 격자를 정밀하게 정렬하는 기술을 개발하여 차세대 물결 모양 양자 물질의 가능성에 혁명을 일으켰습니다.
싱가포르 국립대학교(NUS)의 물리학자들은 일련의 황금률을 사용하여 초파동 격자의 정렬을 정밀하게 제어하는 기술을 개발하여 차세대 물결 모양 양자 물질이 발전할 수 있는 길을 열었습니다.
슈퍼모아레 격자
모아레 패턴은 두 개의 동일한 주기 구조가 그들 사이의 상대 비틀림 각도로 중첩되거나 두 개의 서로 다른 주기 구조가 비틀림 각도가 있거나 없이 중첩될 때 형성됩니다. 비틀림 각도는 두 구조의 결정 방향 사이의 각도입니다. 예를 들어, 그래핀 육방정계 질화붕소(hBN)는 층이 서로 겹쳐진 물질로, 두 구조의 원자가 완벽하게 정렬되지 않아 모아레 패턴이라고 불리는 간섭 무늬 패턴이 생성됩니다. 이로 인해 전자 재구성이 발생합니다.
그래핀과 hBN의 모아레 패턴은 위상 전류 및 Hofstadter 나비 상태와 같은 이국적인 특성을 가진 새로운 구조를 만드는 데 사용되었습니다. 두 개의 모아레 패턴이 겹쳐지면 모아레 네트워크라는 새로운 구조가 생성됩니다. 기존의 단일 파장 재료와 비교하여 이 Ultra-wave 웹은 조정 가능한 재료 특성의 범위를 확장하여 훨씬 더 광범위한 응용 분야에서 잠재적으로 사용할 수 있습니다.
NUS대학교 물리학과의 성과
싱가포르 국립대학교 물리학과 아리안도(Arriando) 교수 연구팀이 기술을 개발해 hBN/그래핀/hBN 슈퍼모아레의 제어된 정렬을 성공적으로 달성했습니다. 이 기술을 사용하면 두 개의 모아레 패턴을 서로 겹쳐서 정확하게 배열할 수 있습니다. 한편, 연구원들은 또한 슈퍼 리플 네트워크를 생성하기 위한 기술 사용을 안내하기 위해 “3가지의 황금률”을 공식화했습니다.
그 결과는 최근 저널에 게재되었습니다. 네이처커뮤니케이션즈.
그래핀, 육방정계 질화붕소(T-hBN)의 최상층 및 육방정계 질화붕소(B-hBN)의 최하층 사이에 형성된 꼬인 각도(θt 및 θb)를 갖는 슈퍼 모퍼 격자에 대한 예술가의 그림. 약간의 정렬 불량으로 인해 슈퍼 moppy 격자 패턴이 형성됩니다. 신용: 자연 커뮤니케이션
과제와 솔루션
매우 질긴 그래핀 격자를 만드는 데에는 세 가지 주요 과제가 있습니다. 첫째, 기존의 광학 정렬은 그래핀의 직선 모서리에 크게 의존하지만 적합한 그래핀 웨이퍼를 찾는 데는 시간이 많이 걸리고 노동 집약적입니다. 둘째, 직선 모서리 그래핀 샘플을 사용하더라도 모서리 비대칭 및 격자 대칭에 대한 불확실성으로 인해 이중 정렬된 모아레 격자를 얻을 확률이 1/8로 낮습니다. 셋째, 모서리 대칭과 격자 대칭을 결정할 수 있지만 두 개의 서로 다른 격자 재료를 정렬하는 것이 물리적으로 어렵기 때문에 정렬 오류가 큰 경우가 많습니다(0.5° 이상).
연구 논문의 주 저자인 Junxiong Ho 박사는 다음과 같이 말했습니다. “우리의 기술은 실제 문제를 해결하는 데 도움이 됩니다. 몇몇 연구자들은 샘플을 처리하는 데 보통 일주일 정도 걸린다고 말했습니다. 우리의 기술을 이용하면 제조시간을 획기적으로 단축할 수 있을 뿐만 아니라 성능도 크게 향상시킬 수 있습니다. 정확성 샘플의.”
예술적 비전
과학자들은 처음에 hBN 최상층과 그래핀의 정렬을 제어하기 위해 “30도 회전 기술”을 사용하고 있습니다. 그런 다음 ‘역전 기술’을 사용하여 상부 hBN 층과 하부 hBN 층의 정렬을 제어합니다. 이 두 가지 방법을 바탕으로 격자 대칭성을 제어하고 그래핀 초파장 격자의 밴드 구조를 조정할 수 있다. 그들은 또한 인접한 흑연 가장자리가 적층 정렬을 위한 가이드 역할을 할 수 있음을 보여주었습니다. 본 연구에서 그들은 0.2°보다 나은 정확도로 20개의 모아레 샘플을 합성했습니다.
Arriando 교수는 다음과 같이 말했습니다. “우리는 2차원 재료 커뮤니티의 많은 연구자에게 도움이 될 수 있는 기술에 대한 세 가지 황금률을 확립했습니다. 우리의 연구는 또한 매직 앵글 트위스트 이중층 그래핀이나 ABC 적층 다층 그래핀과 같은 강력하게 상관된 다른 시스템을 연구하는 많은 과학자들에게 도움이 될 것으로 예상됩니다. 이번 기술 개선을 통해 차세대 양자파물질 개발이 가속화되길 기대한다.
앞으로의 노력
현재 연구팀은 이 기술을 활용하여 단층 초파장 그래핀 격자를 제작하고 이 재료 시스템의 고유한 특성을 탐색하고 있습니다. 또한 그들은 기존 기술을 다른 물리적 시스템으로 확장하여 다른 새로운 양자 현상을 발견하고 있습니다.
참고 자료: Junxiong Hu, Junyou Tan, M.M.의 “이중 정렬 그래핀 이종구조에서 초유체 격자의 제어된 정렬” Al-Ezzi, Udvas Chattopadhyay, Jian Gou, Yuntian Zheng, Zihao Wang, Jiayu Chen, Reshmi Thottathil, Jiangbo Luo, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Andrew Thai Shen Wei, Shafik Adam 및 A. Arriando, 2023년 7월 12일, 여기에서 확인 가능. 네이처커뮤니케이션즈.
도이: 10.1038/s41467-023-39893-5