Projekt

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Accurate manipulation and control for studying 2D layered materials stacks

Gesuchsteller/in Koren Elad
Nummer 161388
Förderungsinstrument Ambizione
Forschungseinrichtung IBM Research GmbH
Hochschule Firmen/Privatwirtschaft - FP
Hauptdisziplin Materialwissenschaften
Beginn/Ende 01.09.2015 - 31.08.2017
Bewilligter Betrag 276'154.00
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Alle Disziplinen (2)

Disziplin
Materialwissenschaften
Physik der kondensierten Materie

Keywords (7)

Nano-manipulation; 2D superlattices; Friction; Layered materials; Twisted graphene; Electrical transport; Generation of twisted bi-layer interface

Lay Summary (Deutsch)

Lead
Graphen stellt ein ideales 2-dimensionales Elektronegassystem dar, was ihm besondere elektornische Eigenschaften verleiht, die für Anwendungen in der Hableiterindustrie und für Quanteneffektschaltungen von grossem Intersse sind. Dank der schwachen Kopplung zwischen einzlenen Graphen Lagen ergibt sich ein reiches Spektrum von neuartigen physikalischen Phänomenen. Von speziellem Interesse sind dabei die Vorgänge, die den elektrische Transport in verdrehten Schichten bestimmen. Das Spezielle daran ist, dass im Allgemeinen durch das Verdrehen die Kristallsymmetrie gebrochen wird, was zu einer starken Unterdrückung der Leitfähigkeit führt. Auf der anderen Seite gibt es spezielle Verdrehungswinkel, die zu einer kommensurablen Ueberstruktur führen und damit eine 2-dimensionale Kristallstruktur ermöglichen. Damit verbunden ist das Ausbilden eines künstlichen 2-dimensionalen Elektronensystems, dessen Eigenschaften völlig unbekannt sind.
Lay summary

Inhalt und Ziel des Forschungsprojekts 

Das Ziel der Arbeit ist, die physikalischen Prozesse in verdrehten Graphen Lagen zu untersuchen und insbesondere die Eigenschaften der kommensurablen Ueberstruktur zu verstehen. Die experimentelle Methode basiert auf dem gezielten Einbringen einer verdrehten 2-Lagenschicht in einem Graphit Zylinder mit sub-Mikrometer Dimensionen. Solche Systeme können mit Hilfe eines Rastersondenmikroskops sehr präzise hergestellt und elektrisch charkterisiert werden. Die Experimente werden über einen weiten Temperaturebereich von Raumtemperatur bis zu 4K durchgeführt, um wichtige offene Fragen zur Rolle der Phononstreuung auf den Ladungstransport und zum Einfluss des Verdrehungswinkels auf den elektrischen Feldeffekt zu klären. Ein besonderes Gewicht liegt auf der Erforschung der kommensurablen Systeme, die in dieser Arbeit zum ersten Mal überhaupt realisiert werden.

 

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts

2-dimensional geschichtete Materialien sind anerkannterweise hoch interessant für eine Vielzahl von Anwendungen auf Grund derer einzigartigen Eigenschaften, die unter anderem über die Kontrolle der Geometrie weitgehend eingestellt werden können. In dieser Arbeit wird spezifisch der Verdrehungsfreiheitsgrad ausgenutzt, um völlig neuartige künstlische Materialeigenschaften zu generieren und deren physikalischen Eigenschaften zu klären. Experimentell werden verdrehte Graphen Schichten als Modellsystem untersucht. Man darf erwarten, dass sich die Erkenntnisse auf eine Vielzahl von bekannten 2-dimensionalen Nitrid-, Oxid-, oder Dichalcogenid-Systeme übertragen lassen und weitere Forschungsarbeiten auf dem Gebiet initiieren werden.

Direktlink auf Lay Summary Letzte Aktualisierung: 24.08.2015

Verantw. Gesuchsteller/in und weitere Gesuchstellende

Mitarbeitende

Publikationen

Publikation
Coherent commensurate electronic states at the interface between misoriented graphene layers
Koren Elad Leven Itai Lörtscher Emanuel Knoll Armin Hod Oded Duerig Urs (2016), Coherent commensurate electronic states at the interface between misoriented graphene layers, in Nature Nanotechnology, 1-7.
Moiré scaling of the sliding force in twisted bilayer graphene
Koren Elad Duerig Urs (2016), Moiré scaling of the sliding force in twisted bilayer graphene, in Phyisical Review B, 94(Iss. 4 — 1), 045401-1-045401-11.
Superlubricity in quasicrystalline twisted bilayer graphene
Koren Elad Duerig Urs (2016), Superlubricity in quasicrystalline twisted bilayer graphene, in Phyisical Review B, 93(Iss. 20 — ), 201404.

Zusammenarbeit

Gruppe / Person Land
Formen der Zusammenarbeit
Tel Aviv University Israel (Asien)
- vertiefter/weiterführender Austausch von Ansätzen, Methoden oder Resultaten
- Publikation

Wissenschaftliche Veranstaltungen

Aktiver Beitrag

Titel Art des Beitrags Titel des Artikels oder Beitrages Datum Ort Beteiligte Personen
Graphene 2017 Vortrag im Rahmen einer Tagung Adhesion, friction and charge transport in bilayer graphene interfaces 28.03.2017 Barcelona, Spanien Koren Elad;
"Advances in Biological Systems and Materials Science in NanoWorld " Vortrag im Rahmen einer Tagung Adhesion, friction and charge transport in bilayer graphene interfaces 19.02.2017 Varanasi, India, Indien Koren Elad;
Departement seminar Einzelvortrag Electromechanical properties of multi-layer graphene contacts 03.03.2016 Technion – Israel Institute of Technology, department of Material Science and Engineering, Haifa, Israel Koren Elad;
Departement seminar Einzelvortrag Electromechanical properties of multi-layer graphene contacts 01.03.2016 Tel Aviv University, department of Material Science and Engineering, Tel Aviv University, Israel Koren Elad;
Departement seminar Einzelvortrag Electromechanical properties of multi-layer graphene contacts 28.02.2016 Weizmann institute of science, Israel Koren Elad;
XIN Workshop on Superlubricity: Fundamental and Application Vortrag im Rahmen einer Tagung Adhesion and friction in mesoscale graphite contacts 18.10.2015 Beijing, China Koren Elad;


Kommunikation mit der Öffentlichkeit

Kommunikation Titel Medien Ort Jahr
Neue Medien (Web, Blogs, Podcasts, NewsFeed, usw.) Using Angles to Improve the Future of Electronics IBM Research Blog International 2017

Auszeichnungen

Titel Jahr
Alon Fellowship 2017

Abstract

Graphene, an ideal 2-dimensional electron gas (2DEG) system, is considered to be one of the most promising materials for future semiconductor electronic and quantum devices due to its superior electronic properties. It also exhibits rich physical properties depending on how it is stacked on top of another 2D crystal. For a non-commensurate stacking the interlayer interaction forms new class of 2D superlattices with electronic properties tailored by the rotation angle between the crystals orientations. When the two layers are made of the same material, an additional set of commensurate 2D superlattices will emerge at specific angles. Attributes such as large lattice parameters, various lattice symmetries, fictitious magnetic field, enhanced magnetic flux per unit cell and strong immunity to surface corrugation may results in superior physical properties. The presence of a rotational mismatch will also determine whether a perpendicular electric field will induced a bandgap in bilayer graphene systems; a prerequisite to build transistor-type devices for next generation computing. From a mechanical aspect, a rotational mismatch in 2D layered systems is known to strongly suppress friction and energy dissipation, an effect which is known as superlubricity.Despite of the rich physics, the challenge to accurately handle, orient and manipulate 2D materials in general and graphene in particular is the main inhibitor for the study of these nanoscale materials and for the realization of devices. In addition, the weak interlayer interaction giving rise to only minor energy difference between large varieties of co-existing stacking configurations is very often leading to controversial results and debates in the scientific community. Consequently, many fundamental questions remain open and therefore prevent full exploitation of the unique mechanical and electronic properties of such layered materials in all their forms. Here, I propose to exploit a new technological approach which I have recently developed at IBM. The technology allows unprecedented accurate and dynamic control over the stacking configuration of 2D layered materials. Combining the excellent nanopositioning accuracy of scanning probe microscopy and the unique mechanical actuation of layered materials solely driven by interface forces (adhesion), the technique enables both lateral and rotational control and manipulation whereas both the mechanical and electronic properties can be characterized for any desired configuration and under variable experimental conditions. Long standing questions such as electric field effect and interlayer charge transport will be addressed for different rotational configurations. In addition, we will explore new exotic 2D phases of layered materials which emerge in special rotational configurations and which were not accessible till date as rotational positioning accuracy better than 1° has to be established.
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