Twistronika to dziedzina nauki zajmująca się badaniem tego, jak niewielkie obrócenie jednej warstwy materiału względem drugiej wpływa na jego właściwości. Zmiana kąta pomiędzy warstwami może prowadzić do występowania zupełnie nowych zachowań elektronicznych. Dotychczas badania koncentrowały się przede wszystkim na niezwykle cienkich materiałach, których warstwy są połączone stosunkowo słabymi siłami.
Czytaj też: Stworzenie tych nanokryształów miało być niemożliwe. Badacze rzucili im wyzwanie i rozbili bank
Zespół z NC State pokazał, że podobną kontrolę można uzyskać również w przypadku materiałów tlenkowych połączonych znacznie silniejszymi wiązaniami chemicznymi. To istotna różnica, ponieważ silne połączenie warstw może zapewnić materiałom większą stabilność, jednocześnie dając nowe możliwości modyfikowania ich właściwości.
Do demonstracji swojej technologii badacze wykorzystali krystaliczne membrany z niobianu sodu, czyli związku o wzorze NaNbO₃. Najpierw na krawędziach każdej membrany umieścili specjalne znaczniki, które pozwalały precyzyjnie obserwować ich wzajemne położenie. Następnie jedną z warstw podnosili i nakładali na drugą, kontrolując dokładny kąt jej obrotu. Po uzyskaniu odpowiedniego ułożenia członkowie zespołu zastosowali specjalny proces wygrzewania. W jego wyniku pomiędzy warstwami powstały silne wiązania chemiczne. Co ważne, nie były one jedynie sposobem na trwałe połączenie dwóch membran. Badania wykazały, że oddziałują również na samą strukturę atomową materiału.
Naukowcy wykorzystali dyfrakcję promieniowania rentgenowskiego w synchrotronie, aby przyjrzeć się granicy pomiędzy połączonymi warstwami. Wyniki pokazały, iż silne wiązania powodują deformację struktury atomowej. W pobliżu granicy między warstwami dochodzi do stopniowego obracania się sieci krystalicznej. Pojawiły się również zmiany w strukturze fazowej materiału.
To właśnie ten efekt może być szczególnie interesujący z punktu widzenia przyszłej elektroniki. Naukowcy nie wiedzą jeszcze dokładnie, w jaki sposób zaobserwowane zmiany wpłyną na właściwości elektryczne i fizyczne materiału. Wiadomo jednak, że możliwość kontrolowania struktury na tak małą skalę daje zupełnie nowe narzędzia do projektowania materiałów.
Czytaj też: Elektrony zrobiły coś, co przewidziano 92 lata temu. Teraz naukowcy zajrzeli do ich kryształu
Jedną z największych zalet opracowanej metody jest jej skala. Membrany można wytwarzać na dużych powierzchniach, a następnie przenosić na różne podłoża. Zdaniem badaczy właśnie możliwość produkowania większych struktur może być kluczowa dla wykorzystania twistroniki w rzeczywistych urządzeniach. Co istotne, niobian sodu był jedynie materiałem demonstracyjnym. Opracowana technika może potencjalnie sprawdzić się także w odniesieniu do innych złożonych tlenków. Oznacza to, że w przyszłości naukowcy mogą otrzymać możliwość projektowania całych rodzin materiałów o określonych właściwościach poprzez kontrolowanie kąta skręcenia ich warstw.
Źródło: ACS Nano
