Aanzienlijke vooruitgang in 2D-materiaalwetenschap met verschillend gedragen lagen in een enkel bulkmateriaal

Wetenschappers van de Universiteit van Manchester hebben een nieuwe maar eenvoudige methode ontwikkeld voor het produceren van verticale stapels van afwisselende supergeleider- en isolatorlagen van tantaaldisulfide (TaS2). De bevindingen, van een team onder leiding van professor Rahul Nair, zouden het fabricageproces van dergelijke apparaten – de zogenaamde van der Waals-heterostructuren – kunnen versnellen met toepassing in transistors met hoge mobiliteit, fotovoltaïsche energie en opto-elektronica.

Van der Waals heterostructuren zijn zeer gewild omdat ze veel unieke en nuttige eigenschappen vertonen die niet worden gevonden in natuurlijk voorkomende materialen. In de meeste gevallen worden ze bereid door handmatig de ene laag over de andere te stapelen in een tijdrovend en arbeidsintensief proces.

Vorige week gepubliceerd in het tijdschrift Nano-letters, beschrijft de studie – geleid door onderzoekers van het National Graphene Institute (NGI) – de synthese van een bulk van der Waals heterostructuur bestaande uit afwisselende atomaire lagen van 1T en 1H TaS2. 1T en 1H TaS2 zijn verschillende polymorfen (materialen met dezelfde chemische samenstelling maar met een variatie in atomaire rangschikking) van TaS2 met totaal verschillende eigenschappen: de eerste isolerend, de laatste supergeleidend bij lage temperaturen.

De nieuwe heterostructuur werd verkregen door de synthese van 6R TaS2 (een zeldzaam type TaS2, met afwisselende 1T en 1H gelaagde structuur) via een proces dat bekend staat als “faseovergang” bij hoge temperatuur (800˚C). Vanwege zijn ongebruikelijke structuur vertoont dit materiaal het naast elkaar bestaan ​​van supergeleiding en ladingsdichtheidsgolven, een zeer zeldzaam fenomeen.

Dr. Amritroop Achari, die het experiment leidde, zei: “Ons werk presenteert een nieuw concept voor het ontwerpen van bulkheterostructuren. De nieuwe methodologie maakt de directe synthese van bulkheterostructuren van 1T-1H TaS2 mogelijk door een faseovergang van een gemakkelijk verkrijgbare 1T TaS2. geloven dat ons werk aanzienlijke vooruitgang biedt in zowel wetenschap als technologie.”

Internationale samenwerking

Het werk werd uitgevoerd in samenwerking met wetenschappers van het NANOlab Centre of Excellence van de Universiteit Antwerpen, België. Hun scanning-elektronenmicroscopie-analyse met hoge resolutie bewees voor het eerst ondubbelzinnig de afwisselende 1T-1H heterogelaagde structuur van 6R TaS2 en maakte de weg vrij om de bevindingen te interpreteren.

Professor Milorad Milošević, de hoofdonderzoeker van de Universiteit Antwerpen, merkte op: “Deze demonstratie van een alternerende isolerende-supergeleidende gelaagde structuur in 6R TaS2 opent een overvloed aan intrigerende vragen met betrekking tot anisotroop gedrag van dit materiaal in aangelegd magnetisch veld en stroom, opkomende Josephson-fysica, terahertz-emissie enz., Naar analogie met bulkcuprates en op ijzer gebaseerde supergeleiders.”

De bevindingen zouden daarom een ​​wijdverbreide impact kunnen hebben op het begrip van 2D-supergeleiding, evenals op het verdere ontwerp van geavanceerde materialen voor op terahertz en Josephson juncties gebaseerde apparaten, een hoeksteen van de tweede generatie kwantumtechnologie.