Uutiset

Kiertäminen paljastaa 2D-materiaalien supervoimat – Uudella menetelmällä voidaan kiertää atomikerroksia ennätyksellisessä mittakaavassa

Tutkijat ovat kehittäneet uuden menetelmän atominohuiden materiaalikerrosten välisen kiertokulman hallitsemiseen, mikä luo pohjaa säädettävien kaksiulotteisten materiaalien sovelluksille.
three different interlayer twist angles and their subsequent crystalline symmetry
Kerrosten välinen kulma määrää materiaalin kiderakenteen ja synnyttää erityisiä fysikaalisia ominaisuuksia, jotka voivat mahdollistaa esimerkiksi sähkön vastuksettoman kulkemisen ja lähes täydellisen kitkattomuuden.

Kaksiulotteiset eli 2D-materiaalit koostuvat vain yhdestä atomikerroksesta. Ainutlaatuisten sähköisten, optisten ja mekaanisten ominaisuuksiensa ansiosta ne ovat herättäneet runsaasti kiinnostusta siitä lähtien, kun grafeeni löydettiin vuonna 2004. Kaksiulotteiset materiaalit ovat äärimmäisen vahvoja ja johtavat erittäin hyvin sähköä, joten niitä pidetään lupaavina materiaaleina muun muassa lasereihin, aurinkokennoihin, antureihin ja lääketieteeseen.

Kun kaksiulotteisen materiaalin kerroksia asetetaan päällekkäin hieman vinottain eri kulmassa, monikerroksinen materiaali voi saada vieläkin eksoottisempia fysikaalisia ominaisuuksia. Näitä ovat esimerkiksi korkean lämpötilan suprajohtavuus, joka olisi mullistavaa esimerkiksi sähköenergiatekniikassa, supraliukuvuus eli lähes täydellinen kitkan katoaminen sekä epälineaariset optiset ominaisuudet, jotka kiinnostavat muun muassa lasereiden ja tiedonsiirtoteknologian kehittäjiä.

Se, missä kulmassa kerrokset ovat toisiinsa nähden, vaikuttaa materiaalin kiderakenteeseen ja siten sen ominaisuuksiin. Kiertokulman säätämisen ja sen vaikutusten tutkimus on synnyttänyt täysin uuden tutkimusalan, josta käytetään englanniksi nimitystä twistronics.

Aalto-yliopiston tutkijat ovat kansainvälisten kollegojensa kanssa kehittäneet uuden menetelmän, jolla voidaan ensimmäistä kertaa säätää tarkasti kaksiulotteisen materiaalin kerrosten välistä kiertokulmaa suuressa mittakaavassa. Tämä on tärkeää, jotta kierrettyjä 2D-materiaaleja voidaan tulevaisuudessa kehittää käytännön sovelluksiin.

Tutkijat osoittivat, että he voivat säätää tarkasti jopa neliösenttimetrin kokoisia molybdeenisulfidista (MoS2) koostuvia kerroksia..

”Esittämämme menetelmä antaa meille mahdollisuuden säätää monikerroksisten molybdeenisulfidi-rakenteiden ominaisuuksia suuremmassa mittakaavassa kuin koskaan aiemmin. Menetelmää voidaan käyttää myös muissa kaksiulotteisissa materiaaleissa”, sanoo Aalto-yliopiston tutkijatohtori Luojun Du, joka on yksi tutkimuksen päätekijöistä.

Merkittävä edistysaskel täysin uudella tutkimusalalla

Twistronics-tutkimus alkoi vasta vuonna 2018, ja perustutkimusta tarvitaan vielä, ennen kuin säädettävät 2D-materiaalit löytävät tiensä käytännön sovelluksiin. Nousevalla alalla uskotaan olevan valtavasti mahdollisuuksia. Tämän vuoden fysiikan Wolf Prize, yksi alan arvostetuimmista palkinnoista, myönnettiin grafeenin suprajohtavaksi tekevän kiertokulman löytäneille tutkijoille.

Aiemmissa tutkimuksissa on osoitettu, että kaksiulotteisten materiaalien kerrosten välistä kiertokulmaa voidaan säätää tarkasti kerrosten siirtomenetelmillä tai atomivoimamikroskoopin avulla. Näitä menetelmiä käytetty kuitenkin hyvin pienissä, vain ihmisen hiuksen halkaisijan mittakaavassa olevissa näytteissä. Suurempia monikerrosrakenteita on pystytty valmistamaan, mutta niiden kerrosten välinen kiertokulma on vaihdellut satunnaisesti.

Nyt tutkijat käyttivät 2D-materiaalin epitaksiaalista kasvatusta ja vesiavusteista materiaalikerroksen siirtomenetelmää.

“Koska siirtoprosessissa ei tarvitse käyttää polymeeriä apuna, näytteidemme liitospinnat ovat verrattain puhtaita. Tämän ja kiertokulman tarkan hallinnan ansiosta voimme säätää 2D-materiaalin fysikaalisia ominaisuuksia, kuten matalataajuisia kerrosten välisiä moodeja ja vyörakennetta, sekä optisia ja sähköisiä ominaisuuksia’, Du sanoo.

“Työstä on merkittävää hyötyä tulevaisuuden kaksiulotteisiin materiaaleihin pohjautuvien twistronics-sovellusten kehittämisessä”, lisää professori Zhipei Sun Aalto-yliopistosta.

Tutkimuksen tulokset julkaistiin arvostetussa Nature Communications -lehdessä.

Artikkeli (open access): Liao, M., Wei, Z., Du, L. et al. Precise control of the interlayer twist angle in large scale MoS2 homostructures. Nat Commun 11, 2153 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-16056-4

  • Julkaistu:
  • Päivitetty:
Jaa
URL kopioitu

Lue lisää uutisia

Professor Marko Hinkkanen/ Aalto University/ photo: Anni Hanén
Palkitut, Tutkimus ja taide Julkaistu:

Professori Marko Hinkkaselle IEEE Fellow -arvo

Professori Hinkkanen saa tunnustusta sähkömoottorikäyttöjen ja verkkosuuntaajien ohjausmenetelmien kehitystyöstä.
Hanna-Kaisa Korolaisen väitöskirjan The Making of Inspiration sisäaukeama.
Palkitut, Tutkimus ja taide Julkaistu:

Aalto ARTS Booksille kultaa kansainvälisessä ICMA-kilpailussa sekä tieteellisten että oppikirjojen sarjassa

Neljä Aalto ARTS Booksin kirjaa palkittiin ICMA (International Creative Media Award) -kilpailun kirjojen osiossa.
Professor Jens Schmidt opening the first Aalto Alumni Strategy Circle. Audience in the front.
Tutkimus ja taide Julkaistu:

Aalto Alumni Strategy Circle -tapahtumassa jaettiin fuusioiden ja yrityskauppojen parhaita käytäntöjä

Aalto Alumni Strategy Circle kokoaa yhteen strategia-alan ammattilaisia ja yritysjohtajia oppimaan ja vaihtamaan ajatuksia strategian ajankohtaisista aiheista.
Alustatalouden faktat ja myytit studiossa Heli Koski, Jussi Mäkinen, Timo Seppälä ja William von der Pahlen
Tutkimus ja taide Julkaistu:

Alustasääntelyn kiemuroissa – Alustatalouden F&M ruotii digitaalisten markkinoiden sääntelyä

Digitaalisia markkinoita pyritään sääntelemään EU-tasolla, mutta nyt sääntelyä uhkaa olla jo niin paljon, että kuluttajien ja yritysten on vaikea saada niistä selkoa.