TMDs de capa doble torcida: Desentrañando propiedades electrónicas

Las bilayers torcidas de materiales llamados disulfuros de metales de transición (TMDs) muestran Propiedades Electrónicas únicas. Estos materiales están compuestos por dos capas apiladas una encima de la otra, y pueden rotarse entre sí. Cuando se tuercen, crean un patrón especial llamado patrón moiré. Este patrón puede llevar a la formación de bandas electrónicas planas, que tienen efectos significativos en el comportamiento electrónico, como interacciones más fuertes entre electrones.

#Patrones Moiré y Bandas Electrónicas

Cuando dos capas de TMDs se colocan una sobre la otra y se tuercen, crean una superred moiré. En este arreglo, los electrones sienten un potencial moiré, lo que hace que se localicen más en ciertas regiones. Esta Localización reduce su energía cinética, resultando en bandas planas donde las interacciones electrónicas se ven aumentadas. Tales efectos pueden dar lugar a fenómenos interesantes, como la superconductividad y otros estados correlacionados.

A diferencia del grafeno, que tiene un ángulo de torsión específico para bandas planas, las bilayers de TMD pueden lograr bandas planas en muchos ángulos de torsión diferentes. Esta característica permite a los investigadores estudiar una mayor variedad de sistemas correlacionados. Las bilayers de TMD se clasifican en dos tipos: homobilayers (dos capas del mismo material) y heterobilayers (dos capas de materiales diferentes). Las heterobilayers tienen patrones moiré que son menos sensibles al ángulo de torsión, lo que facilita su estudio.

#Características de los TMDs Torcidos

En los TMDs, tanto los átomos metálicos como los de calcógeno ocupan los sitios de la red, lo que lleva a romper la simetría. Las bilayers de TMD torcidas pueden ser paralelas o antiparalelas. Las bilayers alineadas paralelamente tienen un ángulo de torsión cero, mientras que las bilayers antiparalelas están torcidas cerca de 180 grados. Cada alineación resulta en diferentes configuraciones de apilamiento, lo que puede afectar las propiedades electrónicas debido a cambios en las posiciones atómicas.

Para ángulos de torsión pequeños, las capas atómicas pueden deformarse para preferir ciertos arreglos de apilamiento, llevando a dominios distintos separados por áreas tensadas. Para las bilayers alineadas paralelamente, el arreglo tiende a crear dominios triangulares con una propiedad eléctrica fuera del plano. En cambio, los TMDs alineados antiparalelamente no experimentan la misma transferencia de carga, y su distorsión periódica de la red es más uniforme a través de la celda unitario moiré.

#Influencia de las Relajaciones Atómicas

Los cambios en las posiciones atómicas, conocidos como relajaciones, son cruciales para entender el comportamiento electrónico en las bilayers TMD torcidas. Estas relajaciones pueden alterar la estructura de bandas y afectar la localización de las funciones de onda, complicando las predicciones hechas por modelos teóricos simples.

Estudios recientes utilizando microscopía de túnel por escaneo (STM) y espectroscopía (STS) han observado los efectos de estas relajaciones en la estructura electrónica de las bilayers torcidas. Específicamente, se ha encontrado que las relajaciones atómicas pueden afectar en gran medida la localización de las funciones de onda en estos sistemas.

#Hallazgos Experimentales

Se han llevado a cabo estudios de STM y STS a temperatura ambiente en muestras de bilayer de WS (diseleniuro de tungsteno) que están torcidas a un ángulo cercano a 180 grados, pero no perfectamente antiparalelas. Los resultados muestran un patrón moiré con longitudes de onda específicas y revelan estados electrónicos localizados cerca del borde de la banda de valencia.

En estos experimentos, los investigadores observaron una fuerte correlación entre la estructura atómica local y el comportamiento de los electrones. Ciertas regiones donde los átomos de S están apilados uno encima del otro (llamado apilamiento Bernal) muestran una respuesta electrónica diferente en comparación con otras configuraciones de apilamiento.

Los hallazgos indican que la localización de las funciones de onda de banda plana es sensible a cuánto han cambiado las posiciones atómicas desde el escenario ideal, sugiriendo que factores externos como el sustrato y la temperatura juegan un papel.

#Propiedades Electrónicas Locales

La espectroscopía de túnel por escaneo proporcionó información sobre las propiedades electrónicas locales de la superred moiré. Las mediciones destacaron dos características clave en el espectro electrónico cerca del borde de la banda de valencia, que se correlacionan con predicciones teóricas de cálculos de teoría de funcional de densidad (DFT).

Los experimentos mostraron que la banda de valencia más alta es muy plana, indicando que los electrones en esta banda están altamente localizados. Se han notado múltiples estados electrónicos con ligeras diferencias de energía, lo cual se alinea bien con los fuertes efectos de correlación observados en los experimentos.

#Variaciones con los Ángulos de Torsión

Los experimentos también exploraron cómo el ángulo de torsión local influenció las propiedades electrónicas. Los espectros de túnel por escaneo recolectados de diferentes regiones con varios ángulos de torsión ilustraron que la estructura electrónica es muy sensible a estas variaciones. Los investigadores notaron diferencias distintivas en los niveles de energía asociados con regiones de apilamiento de alta simetría, indicando cómo los estados localizados pueden variar con ligeros cambios en el ángulo de torsión.

A medida que cambiaron los ángulos de torsión, la distribución de la densidad electrónica se desplazó, mostrando la conexión entre el arreglo geométrico y el comportamiento electrónico. Los estados localizados no eran uniformes en toda la muestra, lo que enfatiza la compleja interacción entre la estructura atómica y las propiedades electrónicas.

#Implicaciones para la Investigación Futura

Los resultados de estos estudios destacan la importancia de considerar las relajaciones atómicas al investigar materiales de bilayer torcidas. A medida que la tecnología para crear y manipular estos materiales avanza, entender cómo las configuraciones atómicas afectan las propiedades electrónicas será clave para desarrollar nuevos dispositivos electrónicos.

Los investigadores buscan explorar una gama más amplia de sistemas de homobilayer TMD y sus patrones moiré para investigar más a fondo los estados localizados y fenómenos correlacionados. Al emplear técnicas que puedan identificar ángulos de torsión locales, los científicos pueden mejorar su comprensión de cómo la posición atómica influye en el comportamiento electrónico.

#Conclusión

La investigación de los TMDs de bilayer torcidos, particularmente los de WS, utilizando STM y STS ha arrojado luz sobre los efectos significativos de las relajaciones atómicas en las propiedades electrónicas. La sensibilidad de la localización de las funciones de onda a la estructura atómica, configuraciones de apilamiento y ángulos de torsión proporciona una imagen más clara de cómo operan estos sistemas. Comprender estas relaciones informará futuras investigaciones y el diseño de nuevos materiales con características electrónicas ventajosas.