Physiker des Massachusetts Institute of Technology verwandeln einen Bleistift in elektronisches „Gold“.

Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben einzigartige Eigenschaften von Graphit entdeckt, indem sie fünf Schichten Graphen in einer präzisen Anordnung übereinander geschichtet haben. Dieses fünfschichtig gestapelte Graphen kann isolierende, magnetische oder topologische Eigenschaften aufweisen und stellt eine wichtige Entdeckung in der Materialphysik unter Verwendung innovativer nanoskaliger Mikroskopietechniken dar.

Dünne Folienisolierung, die so eingestellt werden kann, dass sie drei wichtige Eigenschaften aufweist.

Massachusetts Institute of Technology Physiker haben Graphit oder Bleistift im übertragenen Sinne in Gold verwandelt, indem sie fünf ultrafeine Flocken isolierten, die in einer bestimmten Anordnung gestapelt waren. Das resultierende Material kann dann so abgestimmt werden, dass es drei wichtige Eigenschaften aufweist, die noch nie zuvor bei natürlichem Graphit beobachtet wurden.

„Es ist wie ein One-Stop-Shopping“, sagt Long Guo, Assistenzprofessor an der Fakultät für Physik des MIT und Leiter der in der Ausgabe der Zeitschrift vom 5. Oktober veröffentlichten Forschung. Natur-Nanotechnologie. „Die Natur hält viele Überraschungen bereit. In diesem Fall haben wir nie bemerkt, dass sich all diese interessanten Dinge in Graphit befinden.

Darüber hinaus „kommt es sehr selten vor, dass Materialien so viele Eigenschaften aufweisen“, sagt er.

Der Aufstieg von „Twistronics“

Graphit besteht aus GraphenEs handelt sich um eine einzelne Schicht aus Kohlenstoffatomen, die in sechseckigen Formen angeordnet sind und einer Wabenstruktur ähneln. Graphen wiederum steht seit seiner ersten Isolierung vor etwa 20 Jahren im Mittelpunkt intensiver Forschung. Vor etwa fünf Jahren entdeckten Forscher, darunter ein Team vom MIT, dass das Stapeln einzelner Graphenschichten und das Verdrehen dieser in einem leichten Winkel zueinander dem Material neue Eigenschaften verleihen könnte, von Supraleitung bis hin zu Magnetismus. Der Bereich „Twistronics“ war geboren.

In der aktuellen Arbeit „haben wir interessante Eigenschaften ganz ohne Verdrehung entdeckt“, sagt Gu, der ebenfalls dem Materials Research Laboratory angehört.

Eine künstlerische Demonstration der Elektronenbindung bzw. der Fähigkeit von Elektronen, miteinander zu kommunizieren, die in einer speziellen Art von Graphit (Bleistift) auftreten kann. Bildquelle: Sampson Wilcox, MIT Electronics Research Laboratory

Er und seine Kollegen entdeckten, dass fünf Schichten Graphen, die in einer bestimmten Reihenfolge angeordnet sind, es den Elektronen, die sich innerhalb des Materials bewegen, ermöglichen, miteinander zu kommunizieren. Dieses als Elektronenkorrelation bekannte Phänomen „ist die Magie, die all diese neuen Eigenschaften ermöglicht“, sagt Joe.

Massengraphit – und sogar einzelne Graphenschichten – sind gute elektrische Leiter, aber das ist auch schon alles. Das von Gu und seinen Kollegen isolierte Material, das sie fünfschichtiges gestapeltes Graphen nennen, wird viel größer als die Summe seiner Teile.

Das neuartige Mikroskop und seine Entdeckungen

Der Schlüssel zur Isolierung der Materie war A Neuartiges Mikroskop Joe am MIT im Jahr 2021 kann schnell und relativ kostengünstig eine Vielzahl wichtiger Eigenschaften von Materie bestimmen. Nanomaßstab. Das gestapelte Graphen mit der pentaedrischen Schicht ist nur wenige Milliardstel Meter dick.

Wissenschaftler, darunter Gu, suchten nach mehrschichtigem Graphen, das in einer sehr präzisen Anordnung gestapelt war, die als rhombische Stapelung bezeichnet wird. „Wenn man auf fünf Schichten heruntergeht, gibt es mehr als zehn mögliche Stapelreihenfolgen“, sagt Joe. „Rhomboedrisch ist nur eine davon.“ Das von Joe hergestellte Mikroskop, bekannt als Scattering-type Scanning Nearfield Optical Microscopy oder s-SNOM, ermöglichte es den Wissenschaftlern, nur die fünf Schichten zu identifizieren und zu isolieren. Sie interessierten sich für die rhombische Stapelreihenfolge.

Vielfältige physikalische Phänomene

Von dort aus befestigte das Team Elektroden an einem kleinen Sandwich aus Bornitrid-„Brot“, das das dünne „Fleisch“ des gestapelten pentaedrischen Graphens schützt. Mithilfe der Elektroden konnten sie das System auf unterschiedliche Spannungen oder unterschiedliche Mengen einstellen. Das Ergebnis: Sie entdeckten, dass je nach Anzahl der das System durchströmenden Elektronen drei unterschiedliche Phänomene auftreten.

Der MIT-Postdoktorand Zhengguang Lu, der Assistenzprofessor Long Ju und der Doktorand Tonghang Han sind im Labor. Die drei sind die Autoren eines Artikels in der Zeitschrift Nature Nanotechnology über eine spezielle Art von Graphit (Bleistiftmine) sowie sieben weitere. Bildnachweis: GoLab

„Wir haben herausgefunden, dass Materie isolierend, magnetisch oder topologisch sein kann“, sagt Gu. Letzteres betrifft in gewissem Maße sowohl Leiter als auch Isolatoren. Joe erklärt, dass ein topologisches Material eine ungehinderte Bewegung von Elektronen an den Rändern des Materials ermöglicht, jedoch nicht durch die Mitte. Elektronen bewegen sich in einer Richtung entlang einer „Autobahn“ am Rand des Materials, getrennt durch ein Medium, das das Zentrum des Materials bildet. Der Rand eines topologischen Materials ist also ein perfekter Leiter, während die Mitte ein Isolator ist.

„Unsere Arbeit etabliert rhombisch gestapeltes mehrschichtiges Graphen als eine hochgradig anpassbare Plattform für die Untersuchung dieser neuen Möglichkeiten der topologischen und stark gekoppelten Physik“, schließen Guo und seine Co-Autoren Natur-Nanotechnologie.

Referenz: „Coherent dielectric and Chern insulators in five-layer stacked graphene“ von Tonghang Han, Zhenguang Lu, Giovanni Scurri, Jihu Song, Gui Wang, Tian Yi Han, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Hongkun Park und Long Ju, 5. Oktober 2023, Natur-Nanotechnologie.
doi: 10.1038/s41565-023-01520-1

Neben Gu sind Tonghang Han und Zhenguang Lu die Autoren des Papiers. Han ist Doktorand am Fachbereich Physik. Lu ist Postdoktorand im Materialforschungslabor. Sie sind die Erstautoren der Arbeit.

Weitere Autoren sind Giovanni Scurri, Jiho Song, Joy Wang und Hongkun Park von der Harvard University; Kenji Watanabe und Takashi Taniguchi vom National Institute of Materials Science in Japan und Tianyi Han vom Massachusetts Institute of Technology for Physics.

Diese Arbeit wurde durch ein Sloan Fellowship unterstützt; US National Science Foundation; Büro des Unterstaatssekretärs für Forschung und Technik; Japanische Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaft KAKENHI; Die weltweit führende internationale Forschungsinitiative in Japan; und das Büro für wissenschaftliche Forschung der US-Luftwaffe.