Các nhà nghiên cứu từ Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đã phát hiện ra những đặc tính độc đáo của than chì bằng cách xếp chồng 5 lớp graphene theo một cách sắp xếp chính xác. Graphene xếp chồng năm lớp này có thể thể hiện các đặc tính cách điện, từ tính hoặc tôpô, thể hiện một khám phá quan trọng trong vật lý vật liệu sử dụng các kỹ thuật kính hiển vi cỡ nano cải tiến.

Vật liệu cách nhiệt lá mỏng có thể được điều chỉnh để thể hiện ba đặc tính quan trọng.

Viện Công nghệ Massachusetts Các nhà vật lý đã biến than chì, hay bút chì, thành vàng bằng cách cô lập năm mảnh siêu mịn xếp chồng lên nhau theo một cách sắp xếp cụ thể. Sau đó, vật liệu thu được có thể được điều chỉnh để thể hiện ba đặc tính quan trọng chưa từng thấy ở than chì tự nhiên.

Long Guo, trợ lý giáo sư tại Khoa Vật lý MIT và là người đứng đầu nghiên cứu được công bố trên tạp chí số ra ngày 5 tháng 10, cho biết: “Nó giống như mua sắm một cửa”. Công nghệ nano thiên nhiên. “Thiên nhiên có rất nhiều điều bất ngờ. Trong trường hợp này, chúng ta chưa bao giờ nhận ra rằng tất cả những điều thú vị này đều có ở than chì.

Hơn nữa, “rất hiếm khi tìm thấy vật liệu có thể chứa nhiều đặc tính như vậy,” ông nói.

Sự trỗi dậy của “Twistronics”

Than chì được làm bằng GrapheneNó là một lớp nguyên tử carbon được sắp xếp theo hình lục giác giống như cấu trúc tổ ong. Ngược lại, Graphene đã trở thành tâm điểm của nghiên cứu mạnh mẽ kể từ khi nó được phân lập lần đầu tiên khoảng 20 năm trước. Khoảng 5 năm trước, các nhà nghiên cứu, trong đó có một nhóm từ MIT, đã phát hiện ra rằng việc xếp chồng từng tấm graphene và xoắn chúng theo một góc nhỏ với nhau có thể truyền các đặc tính mới cho vật liệu, từ tính siêu dẫn đến từ tính. Lĩnh vực “twisttronics” ra đời.

Gu, người cũng liên kết với Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Vật liệu, cho biết: “Trong nghiên cứu hiện tại, “chúng tôi đã phát hiện ra những đặc tính thú vị mà không có bất kỳ sự biến dạng nào cả”.

Một minh chứng nghệ thuật về liên kết điện tử, hay khả năng các điện tử giao tiếp với nhau, có thể xảy ra ở một loại than chì đặc biệt (bút chì). Nguồn hình ảnh: Sampson Wilcox, Phòng thí nghiệm nghiên cứu điện tử MIT

Ông và các đồng nghiệp đã phát hiện ra rằng năm lớp graphene được sắp xếp theo một trật tự cụ thể cho phép các electron chuyển động bên trong vật liệu giao tiếp với nhau. Hiện tượng này, được gọi là tương quan điện tử, “là điều kỳ diệu làm cho tất cả những tính chất mới này trở nên khả thi”, Joe nói.

Than chì khối – và thậm chí cả các tấm graphene đơn lẻ – là những chất dẫn điện tốt, nhưng chỉ có vậy thôi. Vật liệu được Gu và các đồng nghiệp của ông phân lập, mà họ gọi là graphene xếp chồng năm lớp, trở nên lớn hơn nhiều so với tổng các phần của nó.

Kính hiển vi mới và những khám phá của nó

Chìa khóa để cô lập vật chất là A kính hiển vi mới Joe tại MIT vào năm 2021 có thể xác định nhiều tính chất quan trọng của vật chất một cách nhanh chóng và tương đối rẻ. quy mô nano. Lớp graphene xếp chồng lên nhau với lớp năm mặt chỉ dày vài phần tỷ mét.

Các nhà khoa học trong đó có Gu đang tìm kiếm graphene nhiều lớp được xếp chồng lên nhau theo một cách sắp xếp rất chính xác, được gọi là xếp chồng hình thoi. Joe nói: “Có thể có hơn 10 thứ tự xếp chồng khi bạn giảm xuống còn 5 lớp. Hình thoi chỉ là một trong số đó.” Kính hiển vi mà Joe chế tạo, được gọi là Kính hiển vi quang học trường gần quét kiểu phân tán, hay s-SNOM, cho phép các nhà khoa học xác định và cô lập chỉ 5 lớp theo thứ tự xếp chồng hình thoi mà họ quan tâm.

Hiện tượng vật lý đa dạng

Từ đó, nhóm nghiên cứu gắn các điện cực vào một chiếc bánh sandwich nhỏ làm từ “bánh mì” boron nitride để bảo vệ “thịt” mỏng của graphene ngũ diện xếp chồng lên nhau. Các điện cực cho phép họ điều chỉnh hệ thống theo các mức điện áp hoặc lượng khác nhau. Kết quả: Họ phát hiện ra rằng ba hiện tượng khác nhau xuất hiện tùy thuộc vào số lượng electron tràn vào hệ thống.

Nghiên cứu sinh sau tiến sĩ MIT Zhengguang Lu, trợ lý giáo sư Long Ju và nghiên cứu sinh Tonghang Han đang ở trong phòng thí nghiệm. Cả ba đều là tác giả của một bài báo trên tạp chí Nature Nanotechnology về một loại than chì đặc biệt (chì bút chì), cùng với bảy loại khác. Tín dụng: GoLab

Gu nói: “Chúng tôi phát hiện ra rằng vật chất có thể cách điện, từ tính hoặc tôpô. Cái sau ở một mức độ nào đó có liên quan đến cả chất dẫn điện và chất cách điện. Joe giải thích rằng vật liệu tôpô cho phép các electron chuyển động không bị cản trở xung quanh các cạnh của vật liệu, nhưng không đi qua phần giữa. Các electron di chuyển theo một hướng dọc theo một “đường cao tốc” ở rìa vật liệu được ngăn cách bởi một môi trường tạo thành tâm của vật liệu. Vì vậy, cạnh của vật liệu tôpô là chất dẫn điện hoàn hảo, trong khi phần trung tâm là chất cách điện.

Guo và các đồng tác giả kết luận: “Công trình của chúng tôi thiết lập graphene đa lớp xếp chồng lên nhau như một nền tảng có khả năng điều chỉnh cao để nghiên cứu những khả năng mới này đối với vật lý tôpô và vật lý liên kết chặt chẽ”. Công nghệ nano thiên nhiên.

Tham khảo: “Chất điện môi kết hợp và chất cách điện Chern trong graphene xếp chồng năm lớp” của Tonghang Han, Zhenguang Lu, Giovanni Scurri, Jihu Song, Gui Wang, Tian Yi Han, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Hongkun Park và Long Ju, ngày 5 tháng 10 2023, Công nghệ nano thiên nhiên.
doi: 10.1038/s41565-023-01520-1

Ngoài Gu, tác giả của bài báo còn có Tonghang Han và Zhenguang Lu. Han là sinh viên tốt nghiệp khoa Vật lý. Lu là nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Vật liệu. Họ là tác giả đầu tiên của bài báo.

Các tác giả khác là Giovanni Scurri, Jiho Song, Joy Wang và Hongkun Park của Đại học Harvard; Kenji Watanabe và Takashi Taniguchi thuộc Viện Khoa học Vật liệu Quốc gia Nhật Bản và Tianyi Han thuộc Viện Công nghệ Vật lý Massachusetts.

Công việc này được hỗ trợ bởi Học bổng Sloan; Quỹ khoa học quốc gia Hoa Kỳ; Văn phòng Thứ trưởng Bộ Quốc phòng về Nghiên cứu và Kỹ thuật; Hiệp hội Xúc tiến Khoa học Nhật Bản KAKENHI; Sáng kiến ​​nghiên cứu quốc tế hàng đầu thế giới tại Nhật Bản; và Văn phòng Nghiên cứu Khoa học của Không quân Hoa Kỳ.