– Struktury moiré mogą powstawać na skutek interferencji, czyli nakładania się dwóch siatek układów o określonym ułożeniu punktów, linii czy bardziej skomplikowanych układów – np. atomów w krysztale – obróconych o pewien kąt – mówi dr hab. Maciej Molas z Wydziału Fizyki UW. 30 marca na łamach „Science” ukazał się przeglądowy artykuł na temat najnowszych odkryć związanych z układami moiré, którego badacz jest współautorem.

Dzięki publikacji można poznać najnowsze odkrycia w rozwijającej się dziedzinie fotoniki oraz optoelektroniki związanej z układami moiré, powstającymi w materiałach warstwowych van der Waalsa (vdW). – Struktury moiré mogą powstawać na skutek interferencji, czyli nakładania się dwóch siatek układów o określonym ułożeniu punktów, linii czy bardziej skomplikowanych układów – np. atomów w krysztale – obróconych o pewien kąt. Idealnymi kandydatami do badania takich efektów są materiały vdW, które posiadają bardzo słabe wiązania międzywarstwowe, co pozwala na ich ścienianie do pojedynczych atomowo-cienkich monowarstw, np. z objętościowego grafitu można uzyskać pojedynczą warstwę – grafen – wyjaśnia dr hab. Maciej Molas z Wydziału Fizyki UW.

W artykule pt. Moiré photonics and optoelectronics, którego badacz jest współautorem, omówione zostały również przyszłe możliwe kierunki badań w tej sferze, mogące prowadzić do potencjalnych innowacji technologicznych w dziedzinie nanotechnologii, np. diód świecących o nieznanych dotychczas charakterystykach i właściwościach optycznych oraz elektronicznych.

– Od momentu przyznania w 2010 Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki profesorom Andre’a Geim’owi i Kostyi Novoselovowi za przełomowe badania poświęcone dwuwymiarowemu grafenowi zainteresowanie naukowców materiałami vdW gwałtownie rośnie. Przede wszystkim dzieje się to w obszarze fizyki półprzewodników i nanonauki, jak również potencjalnych zastosowań w optoelektronice – dodaje dr hab. Molas.

Atomowo-cienkie warstwy materiałów vdW reprezentują nową klasę substancji o właściwościach znacznie różniących się od tych dotyczących ich objętościowych odpowiedników, np. grafit vs. grafen – mimo że do tej pory odkryto ponad 2 tys. materiałów vdW, pogrupowanych w kilkadziesiąt rodzin, w tym półprzewodnikowe dichalkogenki metali przejściowych (np. dwusiarczek molibdenu) czy magnetyczne trihalogenki chromu (np. trójchlorek chromu).

– Jednak w przeciwieństwie do klasycznych materiałów trójwymiarowych stosowanych współcześnie w elektronice i optoelektronice, takich jak krzem czy azotek galu, odległości między atomami nie odgrywają roli w składaniu takich sztucznych struktur ze względu na słabe oddziaływania vdW między kolejnymi warstwami. Parametrem mającym istotny wpływ na właściwości takich struktur jest kąt skręcenia pomiędzy sąsiednimi warstwami. Dobranie odpowiedniego kąta skręcenia między warstwami materiałów vdW może doprowadzić do pojawienia się tzw. wzoru moiré – mówi badacz.

Rysunek przedstawia widok z góry dwóch skręconych monowarstw (ML), tj. ML diselenku molibdenu na wierzchu ML diselenku wolframu ze względnym kątem obrotu 5 stopni. Można na nim dostrzec nowy wzór, który jest znany jako supersieć moiré. Odległości między charakterystycznymi jej elementami są znacząco większe niż odległości między atomami w poszczególnych ML.

– Prowadzi to nie tylko do obserwacji nowej struktury kryształu, ale  przede wszystkim do pojawienia się innowacyjnych właściwości elektronicznych i optycznych w strukturze moiré, co stymuluje eksplorację zupełnie nowej fizyki i urządzeń o nowatorskiej architekturze – podsumowuje dr hab. Maciej Molas.

Schematyczne przedstawienie supersieci moiré obserwowanej dla dwóch skręconych monowarstw diselenku molibdenu (Mo) oraz diselenku wolframu (W) ze względnym kątem obrotu wynoszącym 5 stopni. Zielone i czerwone kulki reprezentują odpowiednio atomy Mo i W, podczas gdy szare kulki oznaczają atomy selenu (Se). Rys. Maciej Molas