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Feb 16, 2024

Mit dem gewissen Etwas: Neue Verbundwerkstoffe mit hochgradig einstellbaren elektrischen und physikalischen Eigenschaften

Von der University of Utah, 14. Juni 2022 Mathematiker haben herausgefunden, dass Moiré-Muster, die durch Drehen und Strecken eines Gitters relativ zu einem anderen entstehen, zum Entwurf einer Vielzahl von Verbundwerkstoffen verwendet werden können

Von der University of Utah, 14. Juni 2022

Mathematiker haben herausgefunden, dass Moiré-Muster, die durch Drehen und Strecken eines Gitters relativ zu einem anderen entstehen, zur Gestaltung einer Vielzahl von Verbundmaterialien verwendet werden können. Ihre elektrischen und anderen physikalischen Eigenschaften können sich manchmal dramatisch ändern, je nachdem, ob sich die resultierenden Moiré-Muster regelmäßig wiederholen oder nicht.

Sie kennen wahrscheinlich Moiré-Muster, die großflächigen Interferenzmuster, die in Mathematik, Physik und Kunst bekannt sind. Sie entstehen, indem ein undurchsichtiges Linienmuster mit transparenten Lücken über ein anderes ähnliches Muster gelegt wird. Wenn sie gedreht oder verschoben werden, entsteht das Interferenzmuster.

Moiré patterns have shown to be especially useful with 2D-materials, single layer materials are lattices consisting of a single layer of atoms. Graphene, a single layer of atoms arranged in a two-dimensional honeycomb lattice nanostructure is one of the most well-known 2D-materials. When you take two stacked layers of grapheneGraphene is an allotrope of carbon in the form of a single layer of atoms in a two-dimensional hexagonal lattice in which one atom forms each vertex. It is the basic structural element of other allotropes of carbon, including graphite, charcoal, carbon nanotubes, and fullerenes. In proportion to its thickness, it is about 100 times stronger than the strongest steel." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Graphen, im magischen Winkel verdreht, können alle möglichen starken Eigenschaften hervorbringen, wie zum Beispiel Supraleitung und Ferromagnetismus.

Jetzt haben Wissenschaftler eine neue Reihe von Verbundmaterialien entdeckt, die sie aus Moiré-Mustern mit einzigartigen elektrischen und physikalischen Eigenschaften entwerfen können.

Zwei konzentrische Kreise, die sich parallel zueinander bewegen, erzeugen Moiré-Muster. Bildnachweis: Jacopo Bertolotti

Schauen Sie sich das Bild oben an.

Achten Sie auf die Muster, die entstehen, wenn sich die Kreise übereinander bewegen. Diese Muster, die durch zwei zueinander versetzte Liniensätze entstehen, werden Moiré-Effekte (ausgesprochen mwar-AY) genannt. Als optische Täuschungen erzeugen Moiré-Muster hübsche Bewegungssimulationen. Aber auf atomarer Ebene können diese Moiré-Muster, wenn eine Schicht aus Atomen, die in einem Gitter angeordnet sind, leicht von einer anderen Schicht versetzt ist, eine aufregende und wichtige Physik mit interessanten und ungewöhnlichen elektronischen Eigenschaften erzeugen.

Mathematiker der University of Utah haben herausgefunden, dass sie eine Reihe von Verbundmaterialien aus Moiré-Mustern entwerfen können, die durch Drehen und Strecken eines Gitters relativ zu einem anderen entstehen. Ihre elektrischen und anderen physikalischen Eigenschaften können sich ändern – manchmal ziemlich abrupt, je nachdem, ob sich die resultierenden Moiré-Muster regelmäßig wiederholen oder nicht. Ihre Ergebnisse werden in Communications Physics veröffentlicht.

Die Mathematik und Physik dieser verdrehten Gitter lässt sich auf eine Vielzahl von Materialeigenschaften anwenden, sagt Kenneth Golden, angesehener Professor für Mathematik. „Die zugrunde liegende Theorie gilt auch für Materialien in einem großen Bereich von Längenskalen, von Nanometern bis hin zu Kilometern, und zeigt, wie groß der Spielraum für mögliche technologische Anwendungen unserer Erkenntnisse ist.“

Fraktale Anordnung periodischer Systeme. Punkte kennzeichnen Moiré-Parameterwerte, die Systemen mit periodischer Mikrogeometrie entsprechen, wobei kurze und große Perioden durch große bzw. kleine Punkte identifiziert werden und selbstähnliche fraktale Anordnungen periodischer Systeme offenbaren. Bildnachweis: Mit freundlicher Genehmigung von Ken Golden/University of Utah

Bevor wir zu diesen neuen Erkenntnissen gelangen, müssen wir die Geschichte zweier wichtiger Konzepte darstellen: aperiodische Geometrie und Twistronik.

Aperiodische Geometrie bedeutet Muster, die sich nicht wiederholen. Ein Beispiel ist das Penrose-Kachelmuster aus Rauten. Wenn Sie einen Rahmen um einen Teil des Musters zeichnen und ihn in eine beliebige Richtung verschieben, ohne ihn zu drehen, werden Sie nie einen Teil des Musters finden, der dazu passt.

Aperiodische Muster, die vor über 1000 Jahren entworfen wurden, tauchten in Girih-Fliesen auf, die in der islamischen Architektur verwendet wurden. In jüngerer Zeit, in den frühen 1980er Jahren, entdeckte der Materialwissenschaftler Dan Shechtman einen Kristall mit einer aperiodischen Atomstruktur. Dies revolutionierte die Kristallographie, da die klassische Definition eines Kristalls nur sich regelmäßig wiederholende Atommuster umfasst, und brachte Shechtman 2011 den Nobelpreis für Chemie ein.

Okay, jetzt zu Twistronics, einem Bereich, der auch einen Nobelpreis in seiner Abstammung hat. Im Jahr 2010 erhielten Andre Geim und Konstantin Novoselov den Nobelpreis für Physik für die Entdeckung von Graphen, einem Material, das aus einer einzelnen Schicht von Kohlenstoffatomen in einem Gitter besteht, das wie Hühnerdraht aussieht. Graphen selbst hat seine eigenen interessanten Eigenschaften, aber in den letzten Jahren haben Physiker herausgefunden, dass, wenn man zwei Lagen Graphen übereinander stapelt und eine davon leicht dreht, das resultierende Material zu einem Supraleiter wird, der zudem außerordentlich stark ist. Dieses Forschungsgebiet der elektronischen Eigenschaften von verdrehtem Doppelschicht-Graphen wird „Twistronik“ genannt.

In der neuen Studie stellten sich Golden und seine Kollegen etwas anderes vor. Es ist wie bei Twistronics, aber anstelle von zwei Atomschichten bestimmen die aus interferierenden Gittern gebildeten Moiré-Muster, wie zwei verschiedene Materialkomponenten, etwa ein guter und ein schlechter Leiter, geometrisch zu einem Verbundmaterial angeordnet werden. Sie bezeichnen das neue Material als „Twisted Bilayer Composite“, da eines der Gitter relativ zum anderen verdreht und/oder gedehnt ist. Bei der Erforschung der Mathematik eines solchen Materials stellten sie fest, dass Moiré-Muster einige überraschende Eigenschaften hervorrufen.

„Da der Verdrehungswinkel und die Skalenparameter variieren, ergeben diese Muster unzählige Mikrogeometrien, wobei sehr kleine Änderungen der Parameter sehr große Änderungen der Materialeigenschaften verursachen“, sagt Ben Murphy, Co-Autor der Arbeit und außerordentlicher Assistenzprofessor für Mathematik.

Twisting one lattice just two degrees, for example, can cause the moiré patterns to go from regularly repeating to non-repeating—and even appear to be randomly disordered, although all the patterns are non-random. If the pattern is ordered and periodic, the material can conduct electrical current very well or not at all, displaying on/off behavior similar to semiconductorsSemiconductors are a type of material that has electrical conductivity between that of a conductor (such as copper) and an insulator (such as rubber). Semiconductors are used in a wide range of electronic devices, including transistors, diodes, solar cells, and integrated circuits. The electrical conductivity of a semiconductor can be controlled by adding impurities to the material through a process called doping. Silicon is the most widely used material for semiconductor devices, but other materials such as gallium arsenide and indium phosphide are also used in certain applications." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Halbleiter, die in Computerchips verwendet werden. Aber für die aperiodischen, ungeordnet aussehenden Muster kann das Material ein stromunterdrückender Isolator sein, „ähnlich dem Gummi am Griff eines Werkzeugs, das dabei hilft, Stromschläge zu verhindern“, sagt David Morison, Hauptautor der kürzlich veröffentlichten Studie beendete seinen Ph.D. in Physik an der University of Utah unter der Leitung von Golden.

Dieser abrupte Übergang vom elektrischen Leiter zum Isolator erinnerte die Forscher an eine weitere Nobelpreisentdeckung: den Anderson-Lokalisierungsübergang für Quantenleiter. Diese Entdeckung, die 1977 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde, erklärt mithilfe der Mathematik der Wellenstreuung und Interferenz, wie sich ein Elektron frei durch ein Material (einen Leiter) bewegen oder gefangen oder lokalisiert werden kann (einen Isolator).

Golden sagt jedoch, dass die von Anderson verwendeten Quantenwellengleichungen auf der Skala dieser verdrillten Doppelschichtverbunde nicht funktionieren, sodass dieser Leiter-/Isolatoreffekt durch etwas anderes verursacht werden muss. „Wir beobachten einen geometriegesteuerten Lokalisierungsübergang, der nichts mit Wellenstreuung oder Interferenzeffekten zu tun hat, was eine überraschende und unerwartete Entdeckung ist“, sagt Golden.

Die elektromagnetischen Eigenschaften dieser neuen Materialien variieren bereits bei winzigen Änderungen des Verdrehungswinkels so stark, dass Ingenieure diese Variation eines Tages nutzen könnten, um die Eigenschaften eines Materials präzise abzustimmen und beispielsweise die sichtbaren Lichtfrequenzen (auch Farben genannt) auszuwählen, die das Material verwenden soll durchlassen und die Frequenzen, die es blockieren wird.

„Darüber hinaus gilt unser mathematischer Rahmen für die Abstimmung anderer Eigenschaften dieser Materialien, etwa magnetischer, diffusiver und thermischer sowie optischer und elektrischer Art“, sagt Professorin für Mathematik und Mitautorin der Studie Elena Cherkaev, „und weist auf die Möglichkeit hin.“ von ähnlichem Verhalten in akustischen und anderen mechanischen Analoga.“

Referenz: „Ordnung zur Störung in quasiperiodischen Verbundwerkstoffen“ von David Morison, N. Benjamin Murphy, Elena Cherkaev und Kenneth M. Golden, 14. Juni 2022, Communications Physics.DOI: 10.1038/s42005-022-00898-z