Een nieuw gelaagd materiaal ontwikkelen voor toekomstige elektronica

Een nieuwe, door RMIT geleide studie stapelt twee verschillende soorten 2D-materialen op elkaar om een ​​hybride materiaal te creëren dat verbeterde eigenschappen biedt.

Dit hybride materiaal bezit waardevolle eigenschappen voor gebruik in toekomstig geheugen en elektronische apparaten zoals tv’s, computers en telefoons. Het belangrijkste is dat de elektronische eigenschappen van de nieuwe gestapelde structuur kunnen worden gecontroleerd zonder externe belasting, wat de weg vrijmaakt voor gebruik in toekomstige energiezuinige transistors.

Het resultaat is een nieuw potentieel materiaal voor multiferroïsche nano-apparaten, zoals veldeffecttransistoren en geheugenapparaten, die veel minder energie zouden kunnen gebruiken dan de huidige op silicium gebaseerde elektronica en elektronische componenten kleiner zouden kunnen maken.

Atomair dunne bouwstenen

Het werk maakt gebruik van een structuur die bestaat uit twee atomair dunne materialen: een film van een ferro-elektrisch materiaal en een andere film van een magnetisch materiaal. (Een dergelijke structuur van twee of meer verschillende materialen wordt een “heterostructuur” genoemd.)

Door de twee 2D-materialen op elkaar te stapelen, creëren de onderzoekers een “multiferroïsch” materiaal dat de unieke eigenschappen van de component ferro-elektrische en ferromagnetische materialen combineert.

• Ferromagnetische (of magnetische) materialen zijn bekend als materialen met een permanent, intrinsiek magnetisme, zoals ijzer. In ferromagnetische materialen kan elektronenspin worden uitgelijnd om een ​​sterk magnetisch veld te vormen (dit betekent dat ze kunnen worden “gemagnetiseerd”).
• Ferro-elektrische materialen kunnen worden beschouwd als de elektrische analogie met ferromagnetische materialen, waarbij hun permanente elektrische polarisatie lijkt op de noord- en zuidpool van een magneet.
• Multiferroïsche materialen zijn eenvoudig die materialen die meer dan één ferro-eigenschap vertonen (in dit geval ferromagnetisme en ferro-elektriciteit).

In het bijzonder ontdekten de onderzoekers dat ze de intrinsieke ferro-elektrische eigenschappen konden gebruiken om de Schottky-barrièrehoogte van de In . af te stemmen₂zie₃/ Fe₃GeTe₂ heterostructuur in plaats van toegepaste spanning te gebruiken, dat is vereist door andere systemen. (De Schottky-barrière is een energieverschil dat ontstaat door een metaal met een halfgeleider te verbinden.)

Het kunnen afstemmen van de hoogte van de barrière is nodig om stroom om te zetten van wisselstroom (AC) naar direct (DC) voor gebruik in elektronische componenten zoals diodes die worden aangetroffen in tv’s, computers en andere alledaagse elektronische apparaten.

De resulterende, schakelbare Schottky-barrièrestructuur kan een essentieel onderdeel vormen in een tweedimensionale veldeffecttransistor (FET) die kan worden bediend door de intrinsieke ferro-elektrische polarisatie om te schakelen, in plaats van door het toepassen van externe spanning.

Schakelen zonder externe belasting

Dit werk maakt gebruik van een heterostructuur van twee 2D-monolagen: In₂zie₃ en Fe₃GeTe₂ (meestal afgekort tot “FGT’), waarbij In₂zie₃ is een ferro-elektrische halfgeleider en FGT is een magnetisch/ferromagnetisch materiaal.

“Onze bevindingen tonen aan dat de In₂zie₃/FGT biedt eigenschappen die vergelijkbaar zijn met andere heterostructuren, maar zonder de noodzaak van externe belasting”, zegt corresponderend auteur prof. Michelle Spencer. “We kunnen niet alleen de barrièrehoogte regelen met deze heterostructuur, maar we kunnen ook schakelen tussen een n-type en p- type Schottky-barrière.”

Dergelijke bestuurbaarheid en afstembaarheid van de In₂zie₃/FGT-heterostructuur kan zijn apparaatpotentieel aanzienlijk verbreden in toekomstige elektronische apparaten met een laag energieverbruik.

“We hebben een significante verandering gevonden in de structurele en elektronische eigenschappen bij het schakelen tussen de configuraties van In₂zie₃. Dergelijke veranderingen maken deze heterostructuur bruikbaar als een schakelbaar 2D Schottky-diode-apparaat”, zegt hoofdauteur Dr. Maria Javaid.

Van theorie naar het lab

De bevinding is direct van toepassing op de missie van FLEET naar een nieuwe generatie ultra-lage-energietechnologieën die verder gaan dan CMOS-elektronica.

Naast het introduceren van een nieuwe mogelijke weg naar multiferroïsche nanodevices, zal het werk experimentatoren op dit gebied motiveren om verdere mogelijkheden voor het gebruik van In₂zie₃/FGT in toekomstige energiezuinige elektronische apparaten, bijvoorbeeld:

• Het synthetiseren van een nieuwe multiferroïsche heterojunctie die de mogelijkheid heeft om de Schottky-barrièrehoogte te “tunen”, en te schakelen tussen een n-type en p-type, via een schakelaar in ferro-elektrische polarisatie.
• Het verkennen van heterostructuren van In₂zie₃ met andere ferromagnetische materialen.