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Twist & Stack : la magie des interfaces intégrées des matériaux 2D

Graphene Stack Concept

Les chercheurs ont souligné l’importance de l’empilement vertical de matériaux bidimensionnels, en particulier lorsqu’un faible angle de torsion est présent, conduisant à des phénomènes physiques uniques. Cette recherche ouvre la voie à une compréhension plus approfondie des structures empilées 2D, offrant ainsi des avancées potentielles dans le domaine de l’électronique torsadée.

Les scientifiques ont développé une méthode pour analyser les structures internes de matériaux bidimensionnels empilés verticalement, révélant des reconstructions atomiques qui influencent les propriétés physiques. Cette recherche est prometteuse pour faire progresser notre compréhension et l’application de l’électronique torsadée.

L’empilement vertical de matériaux bidimensionnels (2D) pour former une homo- ou hétéro-structure de Van der Waals est devenu un moyen efficace pour réguler leurs propriétés physiques et mécaniques. En particulier, lorsqu’un petit angle de torsion est présent au niveau de l’interface empilée, les structures 2D montrent souvent de nombreux phénomènes physiques intéressants, voire magiques, en raison du couplage intercouche unique.

Dans le cas de bicouche graphène avec un petit angle de torsion, l’interface torsadée subira une reconstruction atomique spontanée en raison de la compétition entre l’énergie d’empilement intercouche et l’énergie de déformation élastique intracouche, comme le montre schématiquement la figure 1.

Schémas de la structure atomique du graphène bicouche torsadé

Figure 1. Schémas des structures atomiques avant et après reconstruction du graphène bicouche torsadé. Crédit : ©Science China Press

Cette structure empilée spéciale peut conduire à de nombreux phénomènes inattendus, notamment l’état isolant de Mott, la supraconductivité non conventionnelle et le ferromagnétisme spontané. Récemment, il a été découvert que des interfaces torsadées peuvent non seulement apparaître dans la couche superficielle, mais peuvent également être intégrées à l’intérieur des structures de Van der Waals, ce qui peut conduire à des comportements physiques plus riches.

Pour ces architectures 2D intéressantes, leurs propriétés physiques sont très sensibles à l’état d’empilement des couches internes et des interfaces. Malheureusement, la manière de caractériser avec précision la structure d’empilement intégrée reste jusqu’à présent un défi en matière de subventions. En outre, la question de savoir si les interfaces torsadées intégrées subiraient également une reconstruction atomique et quels impacts la reconstruction pourrait avoir sur les couches atomiques voisines ainsi que sur l’ensemble des unités empilées sont scientifiquement intrigantes et restent inexplorées.

Recherche révolutionnaire

Pour répondre à ces questions, le groupe du professeur Qunyang Li de l’université Tsinghua et le groupe du professeur Ouyang Wengen de l’université de Wuhan ont développé une nouvelle méthode basée sur la microscopie conductrice à force atomique (c-AFM) pour caractériser et reconstruire l’état d’empilement interne d’un matériau en couches torsadées par de simples mesures de conductivité superficielle. Les travaux correspondants ont été publiés dans Revue scientifique nationale.

Résultats expérimentaux et de simulation MD de graphène bicouche torsadé

Figure 2. (a) Un schéma de la configuration expérimentale. (b) Images de courant typiques mesurées sur des échantillons avec une interface torsadée intégrée à différentes profondeurs. (c) Cartes de la déformation atomique dans des couches individuelles de graphène calculées par calculs moléculaires. Crédit : ©Science China Press

Leurs résultats expérimentaux ont montré que les interfaces torsadées peuvent encore subir une reconstruction atomique et affecter notamment la conductivité de surface même lorsqu’elles sont intégrées à 10 couches atomiques sous la surface, comme le montre la figure 2.

Pour mieux comprendre la structure atomique du système multicouche torsadé, un système de graphène multicouche similaire aux échantillons expérimentaux a été construit dans un modèle de simulation de dynamique moléculaire (MD) en considérant avec précision les interactions intercouches. Les résultats de la simulation ont révélé que pour les interfaces tordues à petit angle intégrées à l’intérieur du matériau, une reconstruction atomique peut effectivement se produire et favoriser la déformation rotationnelle dans le plan des couches de graphène adjacentes. Cependant, la déformation en rotation atomique de la couche de graphène diminue progressivement à mesure qu’elle s’éloigne de l’interface torsadée, comme le montre la figure 2.

Modèle proposé et ses implications

Sur la base des structures atomiques révélées dans les simulations MD, le groupe de recherche a proposé un modèle de résistance à la propagation en série (modèle SSR) pour quantifier l’influence de l’état d’empilement du système multicouche torsadé sur sa conductivité de surface. Le nouveau modèle permet d’établir directement une corrélation entre la conductivité de surface et la structure d’empilement interne, ce qui est applicable même pour les échantillons multicouches torsadés présentant des défauts cristallins complexes (par exemple, des dislocations).

Cette recherche fournit un moyen simple, pratique et à haute résolution pour caractériser les structures d’empilement internes des matériaux en couches torsadées, ce qui est crucial pour les études fondamentales des structures empilées 2D et le développement de l’électronique torsadée émergente.

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