Forscher des US-Bundesstaates Texas erforschen Nanomaterialtechnologie

Die Nanomaterialforschung ist heute eines der dynamischsten wissenschaftlichen Forschungsgebiete weltweit. Auf atomarer Ebene können gängige Materialien und Verbindungen auf neuartige Weise angeordnet und kombiniert werden, um neue Eigenschaften zu erzeugen, die zuvor nicht existierten. Der Zugriff auf diese Eigenschaften bei der Kombination unterschiedlicher Materialien hat sich jedoch als schwer zu erreichen erwiesen.

Neue Forschungsarbeiten, die teilweise an der Texas State University durchgeführt wurden, haben gezeigt, dass gestapelte Schichten aus hexagonalem Bornitrid (hBN) ein periodisches elektrisches Potenzial erzeugen können, das abstimmbar ist (Moiré-Potenzial). Das Moiré-Potential kann den Zustand der Elektronen dramatisch verändern und zu exotischen elektronischen und optischen Eigenschaften wie Supraleitung führen.

Durch die Einstellbarkeit des Moiré-Potentials können die Materialien ein breiteres Spektrum neuer elektronischer Zustände erreichen.

Ein Forscherteam unter der Leitung von Yoichi Miyahara, einem Assistenzprofessor am Fachbereich Physik und Teil des Materials Science, Engineering and Commercialization Program an der Texas State, und Xiaoqin Elaine Li, Professorin am Fachbereich Physik und am Center for Complex Quant an der Texas State University Der University of Texas in Austin ist dieser bedeutende Durchbruch gelungen. Ein Doktorand, Dong Seob Kim, vom Department of Physics and Center for Complex Quantum Systems an der University of Texas in Austin, ist der Hauptautor, zusammen mit den Physik-Doktoranden Roy C. Dominguez, Rigo Mayorga-Luna und Mitchell Ford des Bundesstaates Texas über die Studie „Electrostatic moiré potential from Twisted-hBN Layers“, veröffentlicht in der Zeitschrift Nature Materials (nature.com/articles/s41563-023-01637-7). hBN ist eines der wichtigsten in der Forschung verwendeten Nanomaterialien. Das außergewöhnlich dünne Material ist in zweidimensionalen, nur ein Atom dicken Schichten angeordnet, den sogenannten Van-der-Waals-Materialien, und wird häufig als isolierendes Substrat für die Optoelektronik verwendet. Optoelektronische Geräte nutzen die Quantenmechanik und die physikalischen Effekte, die Licht auf Materialien auf atomarer oder subatomarer Ebene hat.

Vertikal gestapelte Van-der-Waals-Materialien beherbergen eine Vielzahl korrelierter elektronischer Phasen, die sich als wertvolle Eigenschaften in Nanomaterialien erweisen könnten.

Die Forscher zeigen, dass hBN-Schichten, wenn sie mit einem Verdrehungswinkel (t-hBN) gestapelt werden, eine Einstellbarkeit ihres periodischen elektronischen Potenzials aufweisen und dadurch auf einen größeren Bereich der korrelierten elektronischen Phasen des Materials zugreifen.

Wenn zwei Kristalle mit leicht unterschiedlicher Ausrichtung übereinandergelegt werden, entsteht ein Moiré-Muster, eine neue, größere gitterartige Struktur, die aus der Interferenz der ursprünglichen Kristallgitter entsteht. Da ein periodisches elektrisches Potenzial das Verhalten von Elektronen in Materialien verändert, ist die Fähigkeit, ein periodisches Potenzial mit einstellbarer Periode und Tiefe zu erzeugen, ein Schlüsselelement für die Erzielung aufregender neuer Materialeigenschaften. t-hBN kann möglicherweise verwendet werden, um exotische Materialeigenschaften in anderen Van-der-Waals-Materialien zu induzieren, zu denen Graphen und Übergangsmetalldichalkogenide gehören, wenn es auf der gestapelten t-hBN-Schicht platziert wird.