Simulări: straturi atomice răsucite alunecă spontan la temperatura camerei
O echipă de cercetători a dezvăluit un mecanism de alunecare colectivă cu barieră energetică ultrajoasă, mediat de pereții de domeniu, precum și o fixare a mișcării indusă de defecte. Studiul arată că superlaticile moiré din disulfura de molibden (MoS₂) în două straturi răsucite pot prezenta alunecare interstrat spontană pe distanțe lungi la temperatura camerei, în timp ce o concentrație de doar aproximativ 0,1% vacanțe de sulf poate transforma această mișcare în oscilații localizate.
Cercetarea a fost realizată de o echipă colaborativă care îi include pe profesorii Zhang Jin și Shi Xinghua de la Centrul Național pentru Nanostiință și Tehnologie (NCNST) al Academiei Chineze de Științe (CAS) și pe profesorul Meng Sheng de la Institutul de Fizică (IOP) al CAS. Rezultatele au fost publicate în Journal of the American Chemical Society.
În ultimii ani, superlaticile moiré bidimensionale au devenit un punct central de cercetare în fizica materiei condensate și în știința materialelor, datorită reglajului structural unic și proprietăților fizice bogate. Atunci când două straturi sunt suprapuse cu un unghi mic de răsucire, configurațiile de stivuire interstrat variază periodic, iar relaxarea atomică generează domenii de stivuire distincte și rețele de pereți de domeniu interconectate. Această reconstrucție structurală complexă poate da naștere unor proprietăți electronice și feroelectrice neobișnuite și poate induce, de asemenea, comportamente dinamice colective distincte de cele ale materialelor stratificate convenționale.
Folosind un potențial interatomic de înaltă precizie bazat pe învățare automată, cercetătorii au efectuat simulări de dinamică moleculară pe superlatici moiré cu peste 10.000 de atomi. Au constatat că, în condiții ideale, fără defecte, MoS₂ în două straturi răsucite poate prezenta alunecare interstrat spontană la o viteză de aproximativ 1 m/s la temperatura camerei, însoțită de o derivă globală a modelului moiré. Modelul convențional de alunecare rigidă nu explică cu ușurință acest fenomen. Atunci când sunt permise mișcarea pereților de domeniu și reconstrucția atomică locală, bariera de alunecare scade cu aproape două ordine de mărime, dezvăluind un mecanism de alunecare colectivă aproape fără barieră, mediat de pereții de domeniu.
În materialele reale, însă, defectele atomice sunt omniprezente. Cercetătorii au descoperit în continuare că o concentrație de vacanțe de sulf de doar aproximativ 0,1% este suficientă pentru a transforma alunecarea pe distanțe lungi în oscilații localizate, demonstrând influența semnificativă a defectelor atomice asupra dinamicii interstrat.
Analizele suplimentare au arătat că vacanțele de sulf au cea mai scăzută energie relativă în regiunile de stivuire SP, la joncțiunile rețelei de pereți de domeniu, ceea ce face din aceste regiuni centre preferențiale de fixare. Pe măsură ce modelul moiré derivează, joncțiunile SP pot fi captate de puțurile de potențial local asociate vacanțelor de sulf. Competiția dintre alunecare și fixare este determinată de magnitudinile relative ale energiei de fixare induse de defecte și ale energiei necesare pentru deformarea structurii moiré.
Rezultatele dezvăluie un mecanism de alunecare colectivă în superlaticile moiré feroelectrice, diferit de translația interstrat rigidă convențională. Ele clarifică rolurile cheie ale mișcării pereților de domeniu și ale defectelor atomice în dinamica interstrat, aprofundează înțelegerea feroelectricității de alunecare bidimensionale și a dinamicii colective din superlaticile moiré și oferă o bază teoretică pentru controlul dinamicii superlaticilor moiré prin inginerie a defectelor.
