Auf die Winkel kommt es an: Moiré-Effekt verändert elektronische Eigenschaften von dreilagigem Material

Eine Graphenschicht (schwarz) aus sechseckig angeordneten Kohlenstoffatomen wird in zwei Lagen aus Bornitridatomen verpackt, die ebenfalls in Sechsecken angeordnet sind. Durch die Überlagerung entstehen wabenförmige Muster verschiedener Grösse. (Abbildung: Swiss Nanoscience Institute, Universität Basel).

Werden eine hauchdünne Graphen- und eine Bornitridschicht leicht verdreht übereinandergelegt, verändern sich dadurch deren elektronische Eigenschaften. Physiker der Universität Basel haben nun erstmals gezeigt, dass eine Verdrehung auch bei einem dreilagigen Sandwich aus Kohlenstoff und Bornitrid zu neuen Materialeigenschaften führt. Das vergrössert den Katalog an möglichen synthetischen Materialien erheblich, berichten die Forscher in der Wissenschaftszeitschrift «Nano Letters».

Im letzten Jahr sorgten US-Wissenschaftler für grosses Aufsehen. Durch die Verdrehung von zwei übereinanderliegenden Graphenlagen um einen magischen Winkel von 1,1 Grad gelang es ihnen, Graphen supraleitend zu machen – ein markantes Beispiel dafür, dass völlig neue elektronische Eigenschaften entstehen können, wenn hauchdünne Materialien miteinander kombiniert werden.

Gezielte Ausrichtung
Wissenschaftler des Swiss Nanoscience Institute und des Departements Physik der Universität Basel haben dieses Konzept nun einen Schritt weiterentwickelt. Sie verpackten eine Schicht Graphen zwischen zwei Bornitridschichten, was häufig gemacht wird, um die empfindliche Kohlenstoffstruktur zu schützen. Dabei richteten sie die Schichten sehr genau am Kristallgitter des Graphens aus.

Den Effekt, den die Physiker um Professor Christian Schönenberger beobachteten, kennen wir als Moiré-Effekt: werden zwei regelmässige Muster übereinandergelegt, entsteht ein neues Muster mit einem grösseren Raster.

Neue Übergitter aus drei Lagen
Die Bildung solcher Übergitter beobachtete auch Lujun Wang, Mitglied der SNI-Doktorandenschule aus dem Schönenberger-Team, als er Lagen aus Bornitrid und Graphen miteinander kombinierte. In allen Schichten sind die Atome sechseckig angeordnet. Werden sie aufeinandergelegt, entstehen grössere regelmässige Muster, deren Grösse vom Winkel zwischen den Schichten abhängt.

Bekannt war bisher, dass dies mit einer zweilagigen Kombination aus Graphen und Bornitrid funktioniert, jedoch ist es bisher nicht gelungen, Effekte einer zweiten Bornitridschicht zu finden.

Beim Experiment der Basler Physiker mit drei Lagen formten sich zum einen zwei Übergitter, die zwischen der Graphenschicht und der oberen bzw. unteren Lage Bornitrid entstanden. Zum anderen entstand durch die Überlagerung aller drei Schichten eine noch wesentlich grössere Überstruktur.

«Vereinfacht gesagt bestimmen die atomaren Muster das Verhalten der Elektronen in einem Material, und wir kombinieren verschiedene solcher natürlichen Muster zu neuen synthetischen Materialien», erklärt Dr. Andreas Baumgartner, der die Arbeit betreut hat. «Nun haben wir in solchen massgeschneiderten elektronischen Bauteilen Effekte gefunden, die sehr gut zu Mustern aus drei Lagen passen», fügt er hinzu.

Originalbeitrag
Lujun Wang, Simon Zihlmann, Ming-Hao Liu, Peter Makk, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Andreas Baumgartner, and Christian Schönenberger
New Generation of Moiré Superlattices in Doubly Aligned hBN/Graphene/hBN Heterostructures
Nano Letters (2019), doi: 10.1021/acs.nanolett.8b05061


Weitere Auskünfte
Prof. Dr. Christian Schönenberger, Universität Basel, Departement Physik / Swiss Nanoscience Institute, Tel. +41 61 207 36 90, E-Mail: christian.schoenenberger@unibas.ch