Grafeenin ominaisuuksia grafiittiin

Tutkijat ovat yleisesti olettaneet, että kaksiulotteisten materiaalien eksoottiset 2D-ominaisuudet ovat olemassa vain yksikerroksisissa arkeissa tai lyhyissä pinoissa. Näiden materiaalien niin kutsuttujen "bulkkiversioiden" - monimutkaisempien 3D-atomirakenteiden - pitäisi käyttäytyä eri tavalla.

Tai niin he ajattelivat.

Washingtonin yliopiston tutkijoiden johtama ryhmä raportoi, että grafiittiin on mahdollista saada samankaltaiset fysikaaliset ominaisuudet kuin grafiitin 2D-vastineella grafeenilla.

Tämä läpimurto ei ollut vain odottamaton, vaan tiimi uskoo myös, että sen lähestymistapaa voitaisiin käyttää testaamaan, voivatko samantyyppiset bulkkimateriaalit saada myös 2D-kaltaisia ominaisuuksia. Jos näin on, 2D-arkit eivät ole ainoa lähde, jonka tiedemiehet voivat ruokkia teknologisia vallankumouksia. Bulkkimaiset 3D-materiaalit voivat olla yhtä hyödyllisiä.

Tiimi, johon kuuluu myös Osakan yliopiston ja Japanin National Institute for Materials Sciencen tutkijoita, sovelsi lähestymistapaa, jota käytetään yleisesti 2D-materiaalien ominaisuuksien tutkimiseen ja manipulointiin: pinoamalla 2D-arkit yhteen pienessä kiertokulmassa. Vanhempi kirjoittaja Matthew Yankowitz ja hänen kollegansa asettivat yhden kerroksen grafeenia ohuen, bulkkigrafiittikiteen päälle ja asettivat sitten noin 1 asteen kiertokulman grafiitin ja grafeenin välille. He havaitsivat uusia ja odottamattomia sähköisiä ominaisuuksia ei vain kierretyssä rajapinnassa, vaan myös syvällä massagrafiitissa.

Grafiitin ja grafeenin kiertokulma kokeissa aiheutti moiré-kuvion ja yllättävin tuloksin. Vaikka vain yksi grafeenilevy bulkkikiteen päällä oli kiertynyt, tutkijat havaitsivat, että koko materiaalin sähköiset ominaisuudet erosivat huomattavasti tyypillisestä grafiitista. Ja kun ne käynnistivät magneettikentän, syvällä grafiittikiteessä olevat elektronit omaksuivat epätavallisia ominaisuuksia, jotka ovat samanlaisiakuin elektronit kierretyssä rajapinnassa. Pohjimmiltaan yksittäinen kierretty grafeeni-grafiittirajapinta sekoittui erottamattomasti muun bulkkigrafiitin kanssa.

"Vaikka loimme moiré-kuvion vain grafiitin pinnalle, tuloksena saadut ominaisuudet valuivat läpi koko kiteen", sanoo tohtoritutkija Dacen Waters.

Yankowitz ja hänen tiiminsä uskovat, että heidän lähestymistapaansa luoda kiertymiskulma grafeenin ja bulkkigrafiittikiteen välille voitaisiin käyttää luomaan 2D-3D-hybridejä sen sisarmateriaaleista, mukaan lukien volframiditelluridi ja zirkoniumpentatelliridi. Tämä voisi avata uuden lähestymistavan perinteisten bulkkimateriaalien ominaisuuksien uudelleensuunnitteluun käyttämällä yhtä 2D-rajapintaa.

"Tästä menetelmästä voi tulla todella rikas leikkipaikka jännittävien uusien fysikaalisten ilmiöiden tutkimiseen materiaaleissa, joissa on sekoitettuja 2D- ja 3D-ominaisuuksia", toteaa Yankowitz.

Aiheesta aiemmin:

Twistroniikkaa paksummillakin materiaaleilla

Erittäin viritettäviä komposiittimateriaaleja