연구원들은 슈퍼 모아레 격자의 정렬을 제어하기 위한 '황금률'을 공식화했습니다.

2023년 8월 29일

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싱가포르 국립 대학교

싱가포르 국립대학교(NUS) 물리학자들은 일련의 황금률을 사용하여 슈퍼모아레 격자의 정렬을 정밀하게 제어하는 ​​기술을 개발하여 차세대 모아레 양자 물질 발전의 길을 열었습니다.

모아레 패턴은 두 개의 동일한 주기적 구조가 그들 사이에 상대 비틀림 각도로 중첩되거나 두 개의 서로 다른 주기적 구조가 비틀림 각도가 있거나 없이 중첩될 때 형성됩니다. 비틀림 각도는 두 구조의 결정학적 방향 사이의 각도입니다. 예를 들어, 적층형 물질인 그래핀과 육방정계질화붕소(hBN)를 중첩하면 두 구조의 원자가 완벽하게 정렬되지 않아 모아레 패턴이라는 간섭 무늬 패턴이 생성됩니다.

이로 인해 전자 재구성이 발생합니다. 그래핀과 hBN의 모아레 패턴은 위상 전류 및 Hofstadter 나비 상태와 같은 이국적인 특성을 가진 새로운 구조를 만드는 데 사용되었습니다. 두 개의 모아레 패턴이 함께 쌓이면 슈퍼모아레 격자라는 새로운 구조가 생성됩니다(위 그림 참조). 전통적인 단일 모아레 재료와 비교하여, 이 슈퍼 모아레 격자는 조정 가능한 재료 특성의 범위를 확장하여 훨씬 더 다양한 응용 분야에서 잠재적으로 사용할 수 있습니다.

NUS 물리학과 아리안도(Ariando) 교수팀이 기술을 개발해 hBN/그래핀/hBN 슈퍼모아레 격자의 제어된 정렬을 구현하는데 성공했다. 이 기술을 사용하면 두 개의 모아레 패턴을 서로 겹쳐서 정확하게 배열할 수 있습니다. 한편, 연구원들은 또한 슈퍼무아레 격자 생성 기술의 사용을 안내하기 위해 "3가지의 황금률"을 공식화했습니다. 이번 연구 결과는 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 저널에 게재됐다.

그래핀 슈퍼무아레 격자를 만드는 데에는 세 가지 주요 과제가 있습니다. 첫째, 전통적인 광학 정렬은 그래핀의 직선 모서리에 크게 의존하지만 적합한 그래핀 플레이크를 찾는 데는 시간이 많이 걸리고 노동 집약적입니다. 둘째, 직선형 그래핀 샘플을 사용하더라도 모서리 키랄성과 격자 대칭성의 불확실성으로 인해 이중 정렬된 슈퍼모아레 격자를 얻을 확률은 1/8로 낮습니다. 셋째, 가장자리 키랄성과 격자 대칭성을 식별할 수 있지만 두 개의 서로 다른 격자 재료를 정렬하는 것이 물리적으로 어렵기 때문에 정렬 오류가 큰(0.5도 이상) 경우가 많습니다.

연구 논문의 주 저자인 Junxiong Hu 박사는 "우리 기술은 실제 문제를 해결하는 데 도움이 됩니다. 많은 연구자들이 샘플을 만드는 데 보통 거의 일주일이 걸린다고 말했습니다. 우리 기술을 사용하면 제작 시간을 크게 단축할 뿐만 아니라 샘플의 정확도도 크게 향상시킵니다."

연구진은 처음에 30도 회전 기술을 사용하여 상단 hBN 및 그래핀 층의 정렬을 제어했습니다. 그런 다음 플립오버 기술을 사용하여 상단 hBN 층과 하단 hBN 층의 정렬을 제어합니다. 이 두 가지 방법을 기반으로 격자 대칭을 제어하고 그래핀 슈퍼무아레 격자의 밴드 구조를 조정할 수 있습니다. 그들은 또한 인접한 흑연 가장자리가 적층 정렬을 위한 가이드 역할을 할 수 있음을 보여주었습니다. 이번 연구에서 그들은 0.2도 이상의 정확도로 20개의 모아레 샘플을 제작했습니다.