Onderzoek naar quasideeltjes ontsluit nieuwe inzichten in tellurene en maakt de weg vrij voor de volgende generatie elektronica

Om te beschrijven hoe materie op oneindig kleine schaal werkt, duiden onderzoekers collectief gedrag aan met enkele concepten, zoals het noemen van een groep vogels die synchroon vliegen een ‘zwerm’ of ‘geruis’. De verschijnselen waarnaar deze concepten verwijzen, bekend als quasideeltjes, zouden de sleutel kunnen zijn tot technologieën van de volgende generatie.

In een recente studie gepubliceerd in Wetenschappelijke vooruitgangbeschrijft een team van onderzoekers onder leiding van Shengxi Huang, universitair hoofddocent elektrische en computertechniek en materiaalkunde en nano-engineering bij Rice, hoe een dergelijk type quasideeltje – polaronen – zich gedraagt ​​in tellurene, een nanomateriaal dat voor het eerst werd gesynthetiseerd in 2017 en bestaat uit kleine ketens van telluriumatomen en heeft eigenschappen die nuttig zijn bij detectie-, elektronische, optische en energieapparatuur.

“Tellurene vertoont dramatische veranderingen in zijn elektronische en optische eigenschappen wanneer de dikte ervan wordt teruggebracht tot enkele nanometers in vergelijking met zijn bulkvorm”, zegt Kunyan Zhang, een Rice-doctoraatsalumna en eerste auteur van het onderzoek. “In het bijzonder veranderen deze veranderingen de manier waarop elektriciteit stroomt en hoe het materiaal trilt, wat we hebben teruggevoerd op de transformatie van polaronen naarmate telluur dunner wordt.”

Een polaron ontstaat wanneer ladingsdragende deeltjes zoals elektronen interageren met trillingen in het atomaire of moleculaire rooster van een materiaal. Stel je een telefoon voor die rinkelt in een volle zaal tijdens een lezing: net zoals het publiek hun blik collectief verlegt naar de bron van de onderbreking, zo passen de roostertrillingen hun oriëntatie aan in reactie op ladingsdragers, en organiseren ze zichzelf rond een aura van polarisatie – vandaar de naam van het quasideeltje.

Afhankelijk van de dunheid van de telluurlaag kan de omvang van deze respons, dat wil zeggen de reikwijdte van de aura, aanzienlijk variëren. Het begrijpen van deze polaronovergang is belangrijk omdat het onthult hoe fundamentele interacties tussen elektronen en trillingen het gedrag van materialen kunnen beïnvloeden, vooral in lage dimensies.

“Deze kennis zou het ontwerp van geavanceerde technologieën zoals efficiëntere elektronische apparaten of nieuwe sensoren kunnen informeren en ons kunnen helpen de fysica van materialen op de kleinste schaal te begrijpen”, zegt Huang, corresponderend auteur van het artikel.

De onderzoekers veronderstelden dat naarmate tellurenen overgaat van bulk naar nanometerdikte, polaronen veranderen van grote, verspreide elektronen-vibratie-interacties naar kleinere, gelokaliseerde interacties. Berekeningen en experimentele metingen ondersteunden dit scenario.

“We analyseerden hoe de trillingsfrequenties en lijnbreedtes varieerden met de dikte en correleerden deze met veranderingen in de elektrische transporteigenschappen, aangevuld met de structurele vervormingen die werden waargenomen bij röntgenabsorptiespectroscopie”, zei Zhang. “Verder hebben we een veldtheorie ontwikkeld om de effecten van verbeterde elektronen-vibratiekoppeling in dunnere lagen te verklaren.”

De alomvattende aanpak van het team leverde een dieper inzicht op in de dikte-afhankelijke polarondynamiek in tellurene dan voorheen beschikbaar was. Dit was mogelijk dankzij zowel verbeteringen in de gebruikte geavanceerde onderzoekstechnieken als de recente ontwikkeling van hoogwaardige telluurmonsters.

“Onze bevindingen benadrukken hoe polaronen het elektrisch transport en de optische eigenschappen van telluren beïnvloeden naarmate het dunner wordt”, aldus Zhang. “In dunnere lagen lokaliseren polaronen ladingsdragers, wat leidt tot verminderde mobiliteit van ladingsdragers. Dit fenomeen is cruciaal voor het ontwerpen van moderne apparaten, die voortdurend kleiner worden en voor functionaliteit afhankelijk zijn van dunnere materialen.”

Aan de ene kant kan een verminderde ladingsmobiliteit de efficiëntie van elektronische componenten beperken, vooral voor toepassingen die een hoge geleidbaarheid vereisen, zoals hoogspanningslijnen of krachtige computerhardware. Aan de andere kant zou dit lokalisatie-effect het ontwerp en de ontwikkeling van hooggevoelige sensoren en faseveranderings-, ferro-elektrische, thermo-elektrische en bepaalde kwantumapparaten kunnen sturen.

“Onze studie biedt een basis voor technische materialen zoals tellurene om deze afwegingen in evenwicht te brengen,” zei Huang. “Het biedt waardevolle inzichten in het ontwerpen van dunnere, efficiëntere apparaten en pakt tegelijkertijd de uitdagingen aan die voortkomen uit het unieke gedrag van laagdimensionale materialen, wat essentieel is voor de ontwikkeling van de volgende generatie elektronica en sensoren.”