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Untersuchung von «magischem» Graphen

magisches graphen

Die beiden Graphenlagen sind gegeneinander um den magischen Winkel von etwa 1.1° verdreht. Je nachdem mit wie vielen Elektronen eine Einzelzelle gefüllt ist, besitzt das Graphen unterschiedliche elektrische und magnetische Eigenschaften. Mithilfe einer pendelnden Spitze des Rasterkraftmikroskops sind die Messungen möglich. Die grüne Fläche ist mit einem Überschuss an Elektronen dotiert und die rote Fläche ist unterdotiert. Durch das Magnetfeld werden polarisierte Kreisströme induziert. (Abbildung: Departement Physik, Universität Basel)

Forschende aus dem SNI-Netzwerk haben ein zweischichtiges Graphen-Bauelement mithilfe des Rasterkraftmikroskops im Pendelmodus untersucht. Bei dem verwendeten Graphen waren die beiden Lagen aus reinem Kohlenstoff im sogenannten magischen Winkel von etwa 1.1° gegeneinander verdreht. Die Ergebnisse zeigten experimentell, dass sich sowohl Stromfluss wie auch Magnetisierung in dem Bauelement mit der verwendeten Methode einstellen lassen. Die Ergebnisse, die Teil einer vom SNI geförderten Doktorarbeit waren, haben die Forschenden kürzlich im Wissenschaftsjournal «Communications Physics» veröffentlicht.

Die jüngsten Fortschritte bei der Entwicklung von Bauteilen aus 2D-Materialien eröffnen neue technologische Möglichkeiten, insbesondere im Bereich der Quantentechnologien. Bislang sind jedoch Energieverluste in stark wechselwirkenden Systemen weitgehend unerforscht.

Das Team um Prof. Dr. Ernst Meyer vom Department Physik der Universität Basel hat daher ein Graphen-Bauteil mithilfe der Rasterkraftmikroskopie im Pendelmodus genauer untersucht. Dabei verwendeten die Forschenden ein von Kollegen der LMU München hergestelltes zweilagiges Graphen, bei dem die beiden Lagen um 1.08° gegeneinander verdreht sind.

Wenn zwei Schichten von Graphen übereinander gelagert und gegeneinander verdreht werden, entstehen sogenannte Moirée-Überstrukturen und das Material bekommt neue Eigenschaften. Bei einer Verdrehung der beiden Lagen um den sogenannten magischen Winkel von 1.08° wird bei sehr tiefen Temperaturen aus Graphen beispielsweise ein Supraleiter, der Strom fast verlustfrei leitet.

Einstellung der Eigenschaften
Dr. Alexina Ollier hat nun in ihrer vom SNI unterstützten Doktorarbeit in der Meyer-Gruppe anhand rasterkraftmikroskopischer Messungen belegen können, dass die Verdrehung der atomaren Graphenlagen über die ganz Schicht homogen bei etwa 1.06° lag. Sie konnte zudem messen, wie sich in Abhängigkeit von der an das Bauelement angelegten Ladung die stromleitenden Eigenschaften der Graphenschicht verändern und einstellen lassen.

Je nach «Beladung» der Einzelzellen des Graphen mit Elektronen verhielt sich das Material als Isolator oder auch als Halbleiter.  Aufgrund der relativ hohen Temperaturen bei der Messung von 5 Kelvin (-268,15°C) konnten die Forschenden keine Supraleitung des Graphens erreichen, da das Phänomen der verlustfreien Stromleitung erst bei weit tieferen Temperaturen von 1.7 Kelvin auftritt.

«Wir konnten jedoch nicht nur die stromleitenden Eigenschaften des Bauteils verändern und messen», erläutert Alexina Ollier, Erstautorin der Studie, «sondern dem Graphen – das ja nur aus Kohlenstoffatomen besteht – auch magnetische Eigenschaften verleihen.»

«Es ist ein Erfolg, dass wir in der Lage sind, winzige Graphenflocken in elektrischen Bauteilen abzubilden, ihre elektrischen und magnetischen Eigenschaften zu verändern und präzise messen zu können», kommentiert Prof. Dr. Ernst Meyer die Arbeit. «Die Methode wird uns auch in Zukunft helfen, den Energieverlust verschiedener zweidimensionaler Bauteile auch bei starken Wechselwirkungen zu ermitteln.»

Originalpublikation:

Ollier, A., Kisiel, M., Lu, X. et al. Energy dissipation on magic angle twisted bilayer graphene. Commun Phys 6, 344 (2023). https://doi.org/10.1038/s42005-023-01441-4

Forschungsgruppe Ernst Meyer