Temperature-dependent properties of 2D materials:Direct measurements of electron-phonon coupling and bending rigidity with helium scattering
Alternativ tittel: Temperatur-avhengige egenskaper av 2D materialer: Direkte målinger av elektron-fonon kobling og materiale bøyelighet med helium spredning
I dette prosjektet studerer vi grunnleggende egenskaper av todimensjonale materialer ved hjelp av fokuserte stråler med atomer og/eller lys. Disse materialene, som kun er ett eller noen få atomlag tykke, kan spenne opp til flere kvadratmeter i planet. De er essensielle for utviklingen av ny teknologi, for eksempel i «fleksibel elektronikk» brukt klesprodukter eller medisinske implantater. Et nevneverdig 2D-materiale er grafen, som er et enkelt atomlag med karbon. Nyere studier har vist at stabling av to grafenlag med en liten vridning i såkalt "magisk vinkel-grafen»-konfigurasjon kan føre til superledning, der strøm ledes uten motstand og varmetap. De underliggende mekanismene bak denne formen for superledningsevne er imidlertid enda ikke forstått.
Så langt har vi undersøkt bøyeevnen til flere 2D-materialer, og hvordan denne endrer seg med temperatur og med små «nanoporer» i materialene. Vi har også oppdaget "bosontoppen" i et 2D-materiale, som er en plutselig endring i varmeledningsevne, kjent fra før fra amorfe materialer. Denne oppdagelsen er nå publisert i det prestisjefylte tidsskriftet Nature Physics. Vi har også undersøkt hvordan atomvibrasjoner påvirker elektronbevegelse i ledende og halvledende 2D-materialer. En forståelse av disse mekanismene kan hjelpe oss med å forstå forskjellige varianter av superledningsevne kan oppnås.
2D materials have been extensively researched since the discovery of graphene in 2004. Some 2D materials have attracted particular interest in recent years for two reasons: they can exhibit superconductivity and/or they can be used in flexible electronics. The 2018 «Physics World Breakthrough of the year» showed that when two graphene layers are rotated 1.1° the material becomes superconducting. This year superconductivity was also found in two twisted trilayer graphene systems and sample provider for this project Prof. Stevan Nadj-Perge, Caltech, showed that the superconducting properties of maging angle graphene improves when it is placed on a different substrate. The nature of superconductivity in these 2D materials is not well understood. This hampers the design of new superconducting 2D materials.
Flexible electronics is pursued intensively for applications such as foldable displays, wearable biosensors, implants for monitoring life signs, artificial nerves, muscle implants and soft robotics. However, to design flexible electronic components that do not fracture when bent, it is important to know how flexible the different material layers are relative to each other (bending rigidity). For the components to work over a sufficiently large temperature range, it is important to know how the bending rigidity changes with temperature. At present there are no experimental measurements on this for 2D materials and the different theories disagree.
In this project, we use helium scattering to measure i) the electron-phonon coupling in the low frequency range believed to be particular important for superconductivity of 2D materials, due to the recently observed substrate influence, and ii) temperature-dependent bending rigidity for a range of 2D materials. These properties cannot be measured directly with any other technique. The project will provide crucial information on how to design future 2D superconductors and flexible electronics components.