Ingenieurs pakken moeilijk in kaart te brengen materiaalklassen aan

De eigenschappen die materialen als halfgeleiders zo gewild maken, vloeien voort uit de manier waarop hun atomen met elkaar verbonden zijn, en inzicht in deze atomaire configuraties kan wetenschappers helpen nieuwe materialen te ontwerpen of bestaande materialen op nieuwe, onvoorziene manieren te gebruiken.

Materiaalwetenschapper Yimo Han van Rice University en medewerkers hebben nu de structurele kenmerken van een 2D-ferro-elektrisch materiaal gemaakt van tin- en seleniumatomen in kaart gebracht, en laten zien hoe domeinen – gebieden van het materiaal waarin moleculen identiek georiënteerd zijn – het gedrag van het materiaal beïnvloeden.

“Ferro-elektrische materialen worden veel gebruikt in toepassingen zoals geheugens en sensoren, en ze zullen waarschijnlijk steeds nuttiger worden voor het bouwen van nano-elektronica van de volgende generatie en in-memory computing”, zegt Chuqiao Shi, een afgestudeerde Rice-student in het Han-lab en hoofdauteur van het boek de studie gepubliceerd in Natuurcommunicatie. “Dat komt omdat 2D ferro-elektrische materialen opmerkelijke eigenschappen hebben en worden gekenmerkt door hun atomaire dunheid en verbeterde integratiemogelijkheden.”

In ferro-elektrische materialen zijn moleculen gepolariseerd, en ze scheiden zich ook uit en richten zich op basis van polarisatie. Bovendien veranderen 2D-ferro-elektrische componenten van vorm als reactie op elektrische stimuli, een fenomeen dat bekend staat als flexo-elektriciteit. In het tin-seleniumkristal waarop dit onderzoek zich richt, organiseren moleculen zichzelf in plekken of domeinen, en het flexo-elektrische effect zorgt ervoor dat deze bewegen, wat aanleiding geeft tot structurele verschuivingen in het materiaal die de eigenschappen en het gedrag ervan beïnvloeden.

“Het is heel belangrijk dat we de ingewikkelde relatie tussen atomaire structuur en elektrische polarisatie begrijpen, wat een cruciaal kenmerk is van ferro-elektrische materialen”, zegt Han, assistent-professor materiaalkunde en nano-engineering. “Deze domeinafhankelijke structuur kan zeer nuttig zijn voor ingenieurs om erachter te komen hoe ze het materiaal het beste kunnen gebruiken en op de eigenschappen ervan kunnen vertrouwen om toepassingen te ontwerpen.”

In tegenstelling tot conventionele ferro-elektrische systemen waarbij atomen zijn gebonden door een stijf rooster, zijn in het tin-selenietkristal dat door Han en Shi is bestudeerd, de krachten die de atomen aan elkaar binden zwakker, waardoor het atomaire rooster een soepeler en soepeler kwaliteit krijgt.

“Het materiaal behoort tot een speciale klasse van 2D-materialen, bekend als van der Waals ferro-elektrische materialen, waarvan de eigenschappen zouden kunnen dienen om ultradunne gegevensopslagapparaten en sensoren van de volgende generatie te ontwerpen, ” zei Shi. ‘De krachten van Van der Waals zijn zwakker dan chemische bindingen – het zijn dezelfde soort krachten die ervoor zorgen dat gekko’s de zwaartekracht kunnen trotseren en muren kunnen beklimmen.

“De zachte roosters in het vlak van dit 2D-materiaal in combinatie met de relatief zwakkere van der Waals-krachten tussen de lagen zorgen voor een uniek structureel landschap. Deze onderscheidende structurele kenmerken genereren effecten die exclusief zijn voor 2D-ferro-elektrische materialen en die afwezig zijn in hun bulk-tegenhangers.”

De grotere mate van flexibiliteit of vrijheid van het atoomrooster in 2D van der Waals ferro-elektriciteit maakt het moeilijker om de relatie tussen polarisatie en materiaalstructuur in kaart te brengen.

“In onze studie hebben we een nieuwe techniek ontwikkeld waarmee we tegelijkertijd naar zowel de rek in het vlak als de stapelvolgorde buiten het vlak kunnen kijken, iets wat conventioneel onderzoek naar dit materiaal voorheen niet kon doen”, zei Han. “Onze bevindingen zullen een revolutie teweegbrengen in de domeintechniek in 2D van der Waals ferro-elektriciteit en deze positioneren als fundamentele bouwstenen in de ontwikkeling van geavanceerde apparaten voor de toekomst”, aldus Han.