Engineering 2D-halfgeleiders met ingebouwde geheugenfuncties

Een team van onderzoekers van het National Graphene Institute (NGI) van de Universiteit van Manchester en het National Physical Laboratory (NPL) heeft aangetoond dat licht verwrongen 2D-transitiemetaaldichalcogeniden (TMD’s) ferro-elektriciteit bij kamertemperatuur vertonen.

Deze eigenschap, gecombineerd met de uitstekende optische eigenschappen van TMD’s, kan worden gebruikt om multifunctionele opto-elektronische apparaten zoals transistors en LED’s met ingebouwde geheugenfuncties op nanometer-lengteschaal te bouwen.

Ferro-elektrische materialen zijn materialen met twee of meer elektrisch polariseerbare toestanden die omkeerbaar kunnen worden geschakeld door toepassing van een extern elektrisch veld. Deze materiaaleigenschap is ideaal voor toepassingen zoals niet-vluchtig geheugen, microgolfapparatuur, sensoren en transistors. Tot voor kort was out-of-plane schakelbare ferro-elektriciteit bij kamertemperatuur alleen bereikt in films dikker dan 3 nanometer.

2D heterostructuren

Sinds de isolatie van grafeen in 2004 hebben onderzoekers in de academische wereld een verscheidenheid aan nieuwe 2D-materialen met een breed scala aan opwindende eigenschappen bestudeerd. Deze atomair dunne 2D-kristallen kunnen op elkaar worden gestapeld om zogenaamde heterostructuren te creëren – kunstmatige materialen met op maat gemaakte functies.

Meer recentelijk heeft een team van onderzoekers van NGI, in samenwerking met NPL, aangetoond dat onder een draaihoek van 2^O, atomaire roosters worden fysiek gereconstrueerd om regio’s (of domeinen) van perfect gestapelde dubbellagen te vormen, gescheiden door grenzen van lokaal geaccumuleerde spanning. Voor twee evenwijdig aan elkaar gestapelde monolagen wordt een mozaïekpatroon van spiegelgereflecteerde driehoekige domeinen gecreëerd. Het belangrijkste is dat de twee aangrenzende domeinen een asymmetrische kristalsymmetrie hebben, wat een asymmetrie in hun elektronische eigenschappen veroorzaakt.

Ferro-elektrisch schakelen bij kamertemperatuur

In het werk, gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie, toonde het team aan dat de domeinstructuur gecreëerd met een lage hoekverdraaiing gastheer is voor ferro-elektriciteit in dubbellaagse TMD’s. Kelvin-sondekrachtmicroscopie onthulde dat aangrenzende domeinen tegengesteld gepolariseerd zijn en elektrische transportmetingen toonden betrouwbare ferro-elektrische omschakeling bij kamertemperatuur aan.

Het team ging verder met het ontwikkelen van een scanning-elektronenmicroscoop (SEM) -techniek met verbeterd contrast, gebruikmakend van signaal van terugverstrooide elektronen. Dit maakte het mogelijk om in-situ een elektrisch veld aan te leggen terwijl veranderingen in de domeinstructuur op een niet-invasieve manier worden afgebeeld, wat essentiële informatie verschafte over hoe het domeinomschakelingsmechanisme werkt. De grenzen tussen de tegengesteld gepolariseerde domeinen bleken uit te breiden en samen te trekken afhankelijk van het teken van het aangelegde elektrische veld en leidden tot een significante herverdeling van de gepolariseerde toestanden.

Dit werk toont duidelijk aan dat de vrijheidsgraad van de twist de creatie van atomair dunne opto-elektronica met op maat gemaakte en multifunctionele eigenschappen mogelijk maakt.

Breed toepassingsgebied voor op maat gemaakte 2D-materialen

Hoofdauteur Astrid Weston zegt dat “het heel opwindend is dat we kunnen aantonen dat dit eenvoudige hulpmiddel van draaien nieuwe eigenschappen in 2D-kristallen kan creëren. Met de grote verscheidenheid aan 2D-kristallen om uit te kiezen, biedt het ons bijna onbeperkte mogelijkheden om perfect op maat gemaakte kunstmatige materialen.”

Co-auteur Dr. Eli G Castanon voegde eraan toe dat “het zeer opwindend was om het patroon en het gedrag van ferro-elektrische domeinen in structuren met een dikte van nanometers te observeren met KPFM en SEM. De vooruitgang van karakteriseringstechnieken samen met de uitgebreide mogelijkheden voor de vorming van nieuwe heterostructuren van 2D-materialen effenen de weg naar nieuwe mogelijkheden op nanoschaal voor veel industrieën.”