Kiertäminen paljastaa 2D-materiaalien supervoimat – Uudella menetelmällä voidaan kiertää atomikerroksia ennätyksellisessä mittakaavassa

Kaksiulotteiset eli 2D-materiaalit koostuvat vain yhdestä atomikerroksesta. Ainutlaatuisten sähköisten, optisten ja mekaanisten ominaisuuksiensa ansiosta ne ovat herättäneet runsaasti kiinnostusta siitä lähtien, kun grafeeni löydettiin vuonna 2004. Kaksiulotteiset materiaalit ovat äärimmäisen vahvoja ja johtavat erittäin hyvin sähköä, joten niitä pidetään lupaavina materiaaleina muun muassa lasereihin, aurinkokennoihin, antureihin ja lääketieteeseen.

Kun kaksiulotteisen materiaalin kerroksia asetetaan päällekkäin hieman vinottain eri kulmassa, monikerroksinen materiaali voi saada vieläkin eksoottisempia fysikaalisia ominaisuuksia. Näitä ovat esimerkiksi korkean lämpötilan suprajohtavuus, joka olisi mullistavaa esimerkiksi sähköenergiatekniikassa, supraliukuvuus eli lähes täydellinen kitkan katoaminen sekä epälineaariset optiset ominaisuudet, jotka kiinnostavat muun muassa lasereiden ja tiedonsiirtoteknologian kehittäjiä.

Se, missä kulmassa kerrokset ovat toisiinsa nähden, vaikuttaa materiaalin kiderakenteeseen ja siten sen ominaisuuksiin. Kiertokulman säätämisen ja sen vaikutusten tutkimus on synnyttänyt täysin uuden tutkimusalan, josta käytetään englanniksi nimitystä twistronics.

Aalto-yliopiston tutkijat ovat kansainvälisten kollegojensa kanssa kehittäneet uuden menetelmän, jolla voidaan ensimmäistä kertaa säätää tarkasti kaksiulotteisen materiaalin kerrosten välistä kiertokulmaa suuressa mittakaavassa. Tämä on tärkeää, jotta kierrettyjä 2D-materiaaleja voidaan tulevaisuudessa kehittää käytännön sovelluksiin.

Tutkijat osoittivat, että he voivat säätää tarkasti jopa neliösenttimetrin kokoisia molybdeenisulfidista (MoS₂) koostuvia kerroksia..

”Esittämämme menetelmä antaa meille mahdollisuuden säätää monikerroksisten molybdeenisulfidi-rakenteiden ominaisuuksia suuremmassa mittakaavassa kuin koskaan aiemmin. Menetelmää voidaan käyttää myös muissa kaksiulotteisissa materiaaleissa”, sanoo Aalto-yliopiston tutkijatohtori Luojun Du, joka on yksi tutkimuksen päätekijöistä.

Merkittävä edistysaskel täysin uudella tutkimusalalla

Twistronics-tutkimus alkoi vasta vuonna 2018, ja perustutkimusta tarvitaan vielä, ennen kuin säädettävät 2D-materiaalit löytävät tiensä käytännön sovelluksiin. Nousevalla alalla uskotaan olevan valtavasti mahdollisuuksia. Tämän vuoden fysiikan Wolf Prize, yksi alan arvostetuimmista palkinnoista, myönnettiin grafeenin suprajohtavaksi tekevän kiertokulman löytäneille tutkijoille.

Aiemmissa tutkimuksissa on osoitettu, että kaksiulotteisten materiaalien kerrosten välistä kiertokulmaa voidaan säätää tarkasti kerrosten siirtomenetelmillä tai atomivoimamikroskoopin avulla. Näitä menetelmiä käytetty kuitenkin hyvin pienissä, vain ihmisen hiuksen halkaisijan mittakaavassa olevissa näytteissä. Suurempia monikerrosrakenteita on pystytty valmistamaan, mutta niiden kerrosten välinen kiertokulma on vaihdellut satunnaisesti.

Nyt tutkijat käyttivät 2D-materiaalin epitaksiaalista kasvatusta ja vesiavusteista materiaalikerroksen siirtomenetelmää.

“Koska siirtoprosessissa ei tarvitse käyttää polymeeriä apuna, näytteidemme liitospinnat ovat verrattain puhtaita. Tämän ja kiertokulman tarkan hallinnan ansiosta voimme säätää 2D-materiaalin fysikaalisia ominaisuuksia, kuten matalataajuisia kerrosten välisiä moodeja ja vyörakennetta, sekä optisia ja sähköisiä ominaisuuksia’, Du sanoo.

“Työstä on merkittävää hyötyä tulevaisuuden kaksiulotteisiin materiaaleihin pohjautuvien twistronics-sovellusten kehittämisessä”, lisää professori Zhipei Sun Aalto-yliopistosta.

Tutkimuksen tulokset julkaistiin arvostetussa Nature Communications -lehdessä.

Artikkeli (open access): Liao, M., Wei, Z., Du, L. et al. Precise control of the interlayer twist angle in large scale MoS₂ homostructures. Nat Commun 11, 2153 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-16056-4