Это происходит без физического смешивания двух атомных слоев и без химической реакции, а путем присоединения слоев друг к другу посредством слабого так называемого взаимодействия Ван-дер-Ваальса – аналогично тому, как липкая лента прикрепляется к плоской поверхности.
В новаторском исследовании, опубликованном в журнале Nature, ученые также обнаружили, что свойствами нового гибридного материала можно точно управлять, скручивая два уложенных друг на друга атомных слоя, открывая путь для использования этой уникальной степени свободы для наночастиц. масштабный контроль композитных материалов и наноустройств в технологиях будущего.
Идея складывать слои из разных материалов для создания так называемых гетероструктур восходит к 1960-м годам, когда исследовали полупроводниковый арсенид галлия для создания миниатюрных лазеров, которые сейчас широко используются.
Сегодня гетероструктуры широко распространены и очень широко используются в полупроводниковой промышленности в качестве инструмента для разработки и управления электронными и оптическими свойствами устройств.
Совсем недавно, в эпоху атомно тонких двумерных (2D) кристаллов, таких как графен, появились новые типы гетероструктур, в которых атомно тонкие слои удерживаются вместе относительно слабыми силами Ван-дер-Ваальса.
Новые структуры, получившие название «гетероструктуры Ван-дер-Ваальса», открывают огромный потенциал для создания множества «мета» -материалов и новых устройств путем наложения вместе любого количества атомарно тонких слоев.
Сотни комбинаций становятся возможными иным образом недоступны в традиционных трехмерных материалах, потенциально открывая доступ к новым неизученным функциям оптоэлектронных устройств или необычным свойствам материалов.
В исследовании исследователи использовали гетероструктуры Ван-дер-Ваальса, сделанные из так называемых дихалькогенидов переходных металлов (TMD), широкого семейства слоистых материалов. В своей трехмерной объемной форме они чем-то похожи на графит – материал, используемый в грифелях карандашей, – откуда графен был извлечен в виде единственного двумерного атомного слоя углерода.
Исследователи обнаружили, что когда два атомно тонких полупроводниковых TMD объединяются в единую структуру, их свойства гибридизируются.
Профессор Александр Тартаковский с кафедры физики и астрономии Университета Шеффилда сказал: «Материалы влияют друг на друга и изменяют свойства друг друга, и их следует рассматривать как совершенно новый« мета »материал с уникальными свойствами – так что один плюс один не делает два.
«Мы также обнаружили, что степень такой гибридизации сильно зависит от скручивания между отдельными атомными решетками каждого слоя.
«Мы обнаружили, что при скручивании слоев в гетероструктуре возникает новая надатомная периодичность, называемая муаровой сверхрешеткой.
"Муаровая сверхрешетка с периодом, зависящим от угла закрутки, определяет, как свойства двух полупроводников гибридизуются."
В других исследованиях подобные эффекты были обнаружены и изучены в основном в графене, члене-основателе семейства 2D-материалов. Последнее исследование показывает, что другие материалы, в частности полупроводники, такие как TMD, демонстрируют сильную гибридизацию, которую, кроме того, можно контролировать с помощью угла скручивания.
Ученые считают, что исследование показывает огромный потенциал для создания новых типов материалов и устройств.
Профессор Тартаковский добавил: «Возникает более сложная картина взаимодействия между атомарно тонкими материалами в гетероструктурах Ван-дер-Ваальса. Это захватывающе, так как дает возможность получить доступ к еще более широкому диапазону свойств материала, таких как необычная электрическая проводимость и оптический отклик, магнетизм и т. Это может и будет использоваться в качестве новых степеней свободы при разработке новых 2D-устройств."
Исследователи хотели бы провести дальнейшие исследования, чтобы изучить больше комбинаций материалов, чтобы увидеть, каковы возможности нового метода.
Работа проводилась в тесном сотрудничестве с Манчестерским университетом, Ульсанским национальным институтом науки и технологий (Республика Корея), Национальным институтом материаловедения (Япония) и Оксфордским университетом.