‘Intercrystals’ maken de weg vrij voor groenere elektronica en kwantumtechnologieën

Rutgers University – nieuwe Brunswick -onderzoekers hebben een nieuwe klasse materialen ontdekt – intercristallen – met unieke elektronische eigenschappen die toekomstige technologieën kunnen voeden.

Intercristallen vertonen nieuw ontdekte vormen van elektronische eigenschappen die de weg kunnen effenen voor vooruitgang in efficiëntere elektronische componenten, kwantum computing en milieuvriendelijke materialen, zeiden de wetenschappers.

Als beschreven In een rapport in het Science Journal Natuurmaterialende wetenschappers stapelden twee ultrathinelagen van grafeen, elk een een-atom-dikke vel koolstofatomen gerangschikt in een zeshoekig rooster. Ze draaiden ze iets bovenop een laag zeshoekige boornitride, een zeshoekig kristal gemaakt van boor en stikstof. Een subtiele verkeerde uitlijning tussen de lagen die Moiré -patronen vormden – patronen vergelijkbaar met die gezien wanneer twee fijne mesh -schermen worden bedekt – aanzienlijk veranderd hoe elektronen door het materiaal bewogen, vonden ze.

“Onze ontdekking opent een nieuw pad voor materiaalontwerp”, zegt Eva Andrei, professor van de raad van bestuur van het Department of Physics and Astronomy in de Rutgers School of Arts and Sciences en hoofdauteur van de studie. “Intercristallen geven ons een nieuw handvat om alleen elektronisch gedrag te regelen met behulp van geometrie, zonder de chemische samenstelling van het materiaal te wijzigen.”

Door de unieke eigenschappen van elektronen in intercristallen te begrijpen en te beheersen, kunnen wetenschappers ze gebruiken om technologieën te ontwikkelen zoals efficiëntere transistoren en sensoren die eerder een complexere mix van materialen en verwerking vereisten, zeiden de onderzoekers.

“Je kunt je voorstellen dat je een heel elektronisch circuit ontwerpt waar elke functie-schakelaars, detectie, signaalpropagatie-wordt geregeld door geometrie op atoomniveau te afstemmen,” zei Jedediah Pixley, een universitair hoofddocent natuurkunde en een co-auteur van de studie. “Intercrystalen kunnen de bouwstenen van dergelijke toekomstige technologieën zijn.

“De ontdekking hangt af van een stijgende techniek in de moderne fysica genaamd ‘Twistronics’, waar lagen materialen onder specifieke hoeken zijn verwrongen om Moiré -patronen te creëren. Deze configuraties veranderen het gedrag van elektronen in de stof aanzienlijk, wat leidt tot eigenschappen die niet in reguliere kristallen worden gevonden.

Het fundamentele idee werd voor het eerst aangetoond door Andrei en haar team in 2009, toen ze aantoonden dat Moiré -patronen in gedraaid grafeen de elektronische structuur dramatisch hervormden. Die ontdekking hielp bij het zaaien van het veld van twistronics.

Elektronen zijn kleine deeltjes die zich in materialen verplaatsen en verantwoordelijk zijn voor het uitvoeren van elektriciteit. In gewone kristallen, die een herhalend patroon bezitten van atomen die een perfect gerangschikt rooster vormen, is de manier waarop elektronen bewegen goed begrepen en voorspelbaar. Als een kristal wordt gedraaid of verschoven door bepaalde hoeken of afstanden, ziet het er hetzelfde uit vanwege een intrinsieke eigenschap die bekend staat als symmetrie.

De onderzoekers ontdekten dat de elektronische eigenschappen van intercristallen echter aanzienlijk kunnen variëren met kleine veranderingen in hun structuur. Deze variabiliteit kan leiden tot nieuw en ongewoon gedrag, zoals supergeleiding en magnetisme, die meestal niet in gewone kristallen worden gevonden. Supergeleidende materialen bieden de belofte van continu stromende elektrische stroom omdat ze elektriciteit leiden zonder weerstand.

Intercrystalen kunnen deel uitmaken van het nieuwe circuit voor lage verlies elektronica en atomaire sensoren die een rol kunnen spelen bij het maken van kwantumcomputers en nieuwe vormen van consumententechnologieën, zeiden de wetenschappers.

De materialen bieden ook het vooruitzicht om te functioneren als basis van meer milieuvriendelijke elektronische technologieën.

“Omdat deze structuren kunnen worden gemaakt van overvloedige, niet-toxische elementen zoals koolstof, boor en stikstof, in plaats van zeldzame aardelementen, bieden ze ook een duurzamere en schaalbare route voor toekomstige technologieën,” zei Andrei.

Intercristallen zijn niet alleen verschillend van conventionele kristallen. Ze verschillen ook van quasicrystals, een speciaal type kristal ontdekt in 1982 met een geordende structuur, maar zonder het herhalende patroon in gewone kristallen.

Onderzoeksteamleden noemden hun ontdekking “intercristals” omdat ze een mix zijn tussen kristallen en quasicrystals: ze hebben niet-herhalingspatronen zoals quasicrystals maar delen symmetrieën gemeen met gewone kristallen.

“De ontdekking van quasicrystals in de jaren tachtig daagde de oude regels over atomaire orde uit,” zei Andrei. “Met intercristallen gaan we nog een stap verder en laten we zien dat materialen kunnen worden ontworpen om toegang te krijgen tot nieuwe fasen van materie door geometrische frustratie op de kleinste schaal te exploiteren.”

Rutgers -onderzoekers zijn optimistisch over de toekomstige toepassingen van intercrystals en openen nieuwe mogelijkheden voor het verkennen en manipuleren van de eigenschappen van materialen op atomair niveau.

“Dit is nog maar het begin,” zei Pixley. “We zijn verheugd om te zien waar deze ontdekking ons zal leiden en hoe deze de technologie en wetenschap in de komende jaren zal beïnvloeden.”

Andere onderzoekers van Rutgers die hebben bijgedragen aan de studie, waren onderzoeksmedewerkers Xinyuan Lai, Guohong Li en Angela Coe van het Department of Physics and Astronomy. Wetenschappers van het National Institute for Materials Science in Japan hebben ook bijgedragen aan de studie.