Bilim insanları, oksit malzemeleri çok daha geniş alanlarda bükerken, katmanlarının nasıl döndürüleceği konusunda hassas bir kontrol sağlayan bir yöntem geliştirdi. Bu ilerleme, bilim insanlarına bu malzemelerin hem ölçeği hem de iç yapısı üzerinde daha fazla kontrol sağlayarak, twistronics'i pratik elektronik cihazlara yaklaştırabilir.
Twistronics, iki boyutlu (2B) bir malzemenin bir katmanını diğerine göre döndürmenin, malzemenin elektronik davranışını nasıl değiştirebileceğini araştırıyor. Şimdiye kadar, bu alanın büyük bir kısmı nispeten zayıf kuvvetlerle bir arada tutulan son derece ince malzemelere odaklanmıştı.
Çalışmanın sorumlu yazarı ve North Carolina Eyalet Üniversitesi'nde malzeme bilimi ve mühendisliği yardımcı doçenti olan Ruijuan Xu, "Twistronics alanı, zayıf van der Waals kuvvetleriyle bağlanan 2B malzemeler kullanılarak geliştirildi. Buradaki çalışmamız, kristal oksit membranlar arasındaki bükülme açısını hassas bir şekilde kontrol ederken, güçlü kimyasal bağlarla bağlanan oksit malzeme katmanlarını kullanmanın mümkün olduğunu gösteriyor" dedi.
Xu, "Oksit katmanları arasında bulduğumuz güçlü katmanlar arası bağlanma, keşfedilecek tamamen yeni arayüzey olayları olabileceğini düşündürüyor. Malzemelerin faz yapısı ve alan konfigürasyonu da dahil olmak üzere birçok özelliğini, belirli uygulamalara göre uyarlanmış malzemeler ve cihazlar tasarlamak için yeni yollar sunan şekillerde kontrol etme yeteneğini gösterdik" diye ekledi.
Büyük Bükülmüş Oksit Membranlar Üretmek
Tekniği göstermek için ekip, kristal sodyum niyobat (NaNbO3) membranları üretti. Fotolitografi kullanarak her bir membranın kenarlarına görsel referans işaretleri eklediler.
Araştırmacılar daha sonra bir NaNbO3 membranını kaldırdı ve ikinci bir membranın üzerine yerleştirdi. Montaj sırasında referans işaretlerinin nasıl hizalandığını izleyerek, iki katman arasındaki dönüş açısını dikkatlice ayarlayabildiler.
İstenen yönelime ulaştıktan sonra ekip, malzeme için özel olarak tasarlanmış bir tavlama işlemi kullandı. Bu işlem, istiflenmiş membranlar arasında güçlü kimyasal bağlar oluşturdu.
Xu, "Cihazlar için ölçek önemlidir. Bu kristal membranlar geniş alanlar üzerinde üretilebildiği ve farklı desteklere aktarılabildiği için bu yaklaşım, bükülme mühendisliği yapılmış oksit elektroniğine doğru pratik bir yol sağlıyor" dedi.
Güçlü Bağlar Atomik Kafesi Yeniden Şekillendiriyor
Bilim insanları, iki oksit katmanının buluştuğu sınırı incelemek için senkrotron X-ışını kırınımı kullandı. Ölçümler, membranlar arasındaki güçlü bağlanmanın onları sadece bir arada tutmaktan daha fazlasını yaptığını ortaya çıkardı.
Xu, "İki katman arasındaki bağların o kadar güçlü olduğunu bulduk ki, malzemenin atomik yapısını bozuyorlar - katmanlar arasındaki arayüzde atomik kafesin kademeli bir dönüşünü yaratıyorlar. Ayrıca malzemenin faz yapısında da değişiklikler bulduk. Bunun malzeme özelliklerini nasıl etkileyeceği henüz belli değil, ancak araştırdığımız konulardan biri de bu" dedi.
Bu yapısal değişiklikler nihayetinde malzemenin elektronik ve fiziksel davranışını etkileyebilir, ancak tam etkilerini belirlemek için daha fazla araştırmaya ihtiyaç duyulacak.
Oksit Elektroniği İçin Daha Geniş Bir Platform
Deneyde NaNbO3 model bir sistem olarak kullanıldı, ancak araştırmacılar aynı yöntemin diğer karmaşık oksit malzemelerle de işe yarayabileceğini söylüyor.
Xu, "Çalışmamız, kontrollü bükülme açıları ve katmanlar arasında güçlü bir kimyasal bağ ile geniş alanlı oksit twistronik malzemeler oluşturmak için bir teknik gösteriyor. Oksit twistroniği için heyecan verici bir zaman; bükülme yoluyla karmaşık oksit işlevlerini mühendislikle tasarlamak için yeni fırsatlar var" dedi.
"Deterministic Fabrication of Large-Area, High-Crystallinity Oxide Moiré Superlattices" başlıklı makale ACS Nano dergisinde yayınlandı.
Makalenin ortak başyazarları, NC State'te doktora öğrencisi olan Reza Ghanbar ve bu çalışmaya henüz lisans öğrencisiyken dahil olan NC State yüksek lisans öğrencisi Eli Rodrigues. Makalenin diğer yazarları arasında NC State'te doktora öğrencileri olan Konnor Koons, Kabelo Lebogang, Yiming Ding ve Yueyin Wang; lisans öğrencisi Doug Barefoot; NC State'te malzeme bilimi ve mühendisliği yardımcı doçenti Yin Liu; Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı'ndan Young-Hoon Kim; Argonne Ulusal Laboratuvarı'ndan Yan Li ve Hua Zhou; ve Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı ile Duke Üniversitesi'nden Miaofang Chi yer alıyor.
Bu çalışma, Ulusal Bilim Vakfı'ndan (hibe numaraları 2442399 ve 2340751), Amerikan Kimya Derneği Petrol Araştırma Fonu'ndan (ödül numarası 68244-DNI10), Ordu Araştırma Ofisi'nden (hibe numarası W911NF-25-1-0201), Research Corporation for Science Advancement'dan Scialog hibesi #SA-QMI-2025-097c ve ABD Enerji Bakanlığı'ndan alınan destekle gerçekleştirildi.
