Boornitride (afb: WikiMedia Commons)

Onderzoeksters van de Rutgers-universiteit in de VS en het Japanse onderzoekscentrum voor fuctionele materialen hebben een ‘nieuwe’ klasse materialen ontwikkeld – die ze ‘interkristallen’ hebben genoemd – die beloftes inhouden voor ‘groenere’ elektronica maar ook voor kwantumtechnologie. De ‘interkristallen’ zijn gemaakt van verdraaide laagjes grafeen en boornitride. Met die geometrische veranderingen kun je de eigenschappen veranderen.
De onderzoeksters stapelden twee atoomddikke lagen grafeen op elkaar, elk een één atoom dikke laag koolstofatomen gerangschikt in een hexagonaal raster. Ze draaiden die lichtjes op een atoomdikke laag hexagonaal boornitride. Een subtiele afwijking in de uitlijning tussen de lagen leverden moirépatronen op en dat veranderde de manier waarop elektronen door het materiaal bewogen aanzienlijk, zo zagen ze.
“Onze ontdekking opent een nieuwe weg voor materiaalontwerp”, aldus hoofdauteur Eva Andrei, hoogleraar aan de faculteit Natuurkunde en Sterrenkunde van de Rutgersuniversiteit. “Interkristallen geven ons een nieuw handvat om elektronisch gedrag te sturen met alleen geometrie, zonder de chemische samenstelling van het materiaal te hoeven veranderen.”
Door de opmerkelijke eigenschappen van elektronen in interkristallen te sturen, kunnen wetenschappers deze gebruiken om technologieën te ontwikkelen zoals efficiëntere transistoren en sensoren die voorheen een complexere mengsel van materialen en processtappen vereisten, stellen de onderzoeksters.
“Je kunt je voorstellen dat je een compleet elektronisch circuit ontwerpt waarbij elke functie – schakelen, detecteren, signaalvoortplanting – wordt aangestuurd door de geometrie op atomair niveau af te stemmen”, zegt medeonderzoeker Jedediah Pixley. “Interkristallen zouden de bouwstenen van dergelijke toekomstige technologieën kunnen zijn.

Twistronica

De ontdekking is gebaseerd op een opkomende techniek in de moderne natuurkunde die ietwat popi ’twistronica’ wordt genoemd, waarbij lagen van materialen worden vervormd om moirépatronen te creëren. Deze configuraties veranderen het gedrag van elektronen in het materiaal aanzienlijk, wat leidt tot eigenschappen die niet in gewone kristalijne materialen kunnen voorkomen.
Het idee werd voor het eerst gedemonstreerd door Andrei en collega’s in 2009, toen ze aantoonden dat moirépatronen in gedraaid grafeen de elektronische structuur ervan drastisch veranderen. Daamee was de ’twistronica’ geboren.

Elektronen zijn (verantwoordelijk voor) elektriciteit. In gewone kristallen, die een herhalend patroon van atomen hebben die een perfect geordend rooster vormen, is de manier waarop elektronen bewegen goed begrepen en voorspelbaar. Als een kristal over bepaalde hoeken of afstanden wordt gedraaid of verschoven blijft die manier dezelfde vanwege de symmetrie in kristallen.
De onderzoeksters ontdekten dat de elektronische eigenschappen van interkristallen echter aanzienlijk kunnen variëren bij kleine veranderingen in hun vorm. Deze variabiliteit kan leiden tot nieuwe en ongebruikelijke gedragingen, zoals supergeleiding en magnetisme, die doorgaans niet voorkomen in gewone kristallen. Supergeleidende materialen bieden de belofte van weerstandsloze stroom.

Nieuwe schakelingen

Interkristallen zouden deel kunnen uitmaken van de nieuwe schakelingen voor verliesarme elektronica en atoomsensoren, die een rol zouden kunnen spelen bij de ontwikkeling van kwantumcomputers maar ook consumententechnologie, stellen de onderzoeksters. De materialen bieden ook de mogelijkheid om te dienen als basis voor milieuvriendelijkere, elektronische technologieën.
“Omdat deze structuren gemaakt kunnen worden van ruim voorhanden, niet-giftige elementen zoals koolstof, boor en stikstof, bieden ze ook een duurzamere en opschaalbare route voor toekomstige technologieën”, stelt Andrei.

De onderzoeksters noemden hun ontdekking ‘interkristallen’ omdat die elementen hebben van kristallen en van quasikristallen: ze hebben niet-repeterende patronen zoals quasikristallen, maar delen symmetrieën met gewone kristallen.
Andrei: “De ontdekking van quasikristallen in de jaren ’80 daagde de oude regels over atomaire orde uit. Met interkristallen gaan we een stap verder en laten we zien dat materialen zo ontworpen kunnen worden dat ze toegang krijgen tot nieuwe fasen van materie door geometrische veranderingen op de kleinste schaal te benutten.”

Bron: phys.org