二维材料（如石墨烯）具有独特的电学、磁性、光学和机械性能，这有望将革新从电子拓展到能源、材料和医药等领域。哥伦比亚大学的研究人员报告了一项
可能彻底改变该领域的重大进展，这是一种“双电子”装置，其性能可以通过简单地改变彼此叠置的两个2D层面之间的角度来改变。
在发表于Science的论文("Twistable electronics with dynamically rotatable heterostructures")中，该团队展示了一种新颖的设备结构，不仅能够对扭曲层器件中的角度方向进行前所未有的控制，而且还允许它们改变这一个角度。因此，可以在单个装置中研究扭转角对电学、光学和机械性能的影响。
哥伦比亚大学的研究人员已经证明，通过实时改变晶体之间的角度，可以微调二维异质结构（如氮化硼上的单层石墨）的电子、机械和光学性质。
在Cory Dean（哥伦比亚大学物理系）和James Hone（哥伦比亚工程学院机械工程系）的带领下，该团队基于他们之前的技术建立了一种新的结构，
这种技术可以将石墨烯和其他2D材料机械的层叠在一起。“这种机械装配工艺使我们可以混合和匹配不同的晶体来构造全新的材料，通常会产生与构成层根本不同的特性，” 哥伦比亚材料研究科学与工程中心（MRSEC）负责人Hone说。“由于有数百种2D材料可供选择，这种设计的可行性还是十分巨大的。
最近的研究表明，层面之间的旋转对准在确定材料组合时出现的新特性中起着至关重要的作用。例如，当将导电石墨烯置于绝缘氮化硼顶部并且晶格完全对准时，石墨烯形成带隙。而在非零角度，带隙消失并且石墨烯恢复了原始特性。就在今年3月，麻省理工学院的研究人员报告了一项突破性的发现，即当两个叠层石墨烯之间的扭转角为1.1度时会表现出奇异的特性（包括超导性），被称为“魔角”。
在先前制造具有旋转未对准层的结构时，层间角会在装配过程中设定。这意味着一旦设备制造出来，它的属性就会固定。“我们发现这种方法很令人沮丧，因为对齐中非常小的错误可能会产生完全不同的结果，”Dean说。“所以问题的关键是如何在制作一个可以在不断旋转层面的同时观察其属性。”
哥伦比亚研究人员意识到，答案在于层间界面处存在的低摩擦力。这些低摩擦力由每层内比原子键弱得多的范德华力产生，
并且可使2D材料如同固体润滑剂般地强烈影响在所需角度下的受控装配。哥伦比亚集团通过设计一种结构来利用低摩擦特性，在这种装置结构中，它们可以有意且可控制地改变旋转角度，而不是防止旋转。
该团队使用石墨烯/氮化硼异质结构来证明其技术的应用范围。在这些结构中，当这些层面不是结晶学对齐时，材料保持其原始特性（例如，石墨烯将具有半金属特征）。但是当层面对齐时，石墨烯的性质改变，打开能隙并表现为半导体特性。
研究人员表明，这种异质结构特性的微调会影响其光学、机械和电子性能。
“值得注意的是，我们证实石墨烯中观察到的能隙是可调的，并且只需改变层间的方向就可以根据需要打开或关闭，” 哥伦比亚大学博士后研究员Rebeca Ribeiro说道。现在是法国纳米科学和纳米技术中心（C2N-CNRS）的CNRS研究科学家。“这种能隙的调整不仅代表了石墨烯在未来不同应用中的重要作用，而且还显示出2D材料的器件性能随着旋转而显著变化的特点。”
从技术角度来看，这
使得单个层状材料可以通过改变扭转角度来改变性能。例如，电子电路由金属导体、绝缘体、半导体和磁性材料等有限数量的部件构成。该结构需要集成各种不同的材料，并且可能带来巨大的工程挑战。相比之下，单一材料可以 “扭曲”以代替这些组件实现重要任务。
此外，通过机械扭转来动态调整系统的能力可以实现全新的设备应用。例如，传统开关通常在两个明确定义的状态（开或关，磁或非磁等）之间变化。而这个“哥伦比亚平台”可以在任意数量的互补状态之间切换。
Dean和Hone正使用他们的新技术来研究2D材料的其他组合，包括通过角度对齐来调整属性。他们尤其关注扭曲双层石墨烯材料中最近发现的超导性，并探讨这是否是由任意2D材料制成的扭曲双层膜的一般特征。
Dean补充道，“我们的研究表明了一种新的自由度，即层间的旋转取向。这在传统的半导体异质结构中是不存在的。在半导体领域，这是一个罕见的时机，我们正在开辟一条新的道路并打开了
一个通往全新研究领域的大门。而在门那边，只需扭转结构就可以轻易的改变材料特性。“
原文来自：nanowerk，原文题目：Twisted electronics open the door to tunable 2D materials，由材料科技在线团队翻译整理。
