Kenmerkende benadering onthult gewaardeerde eigenschap in nanoscopisch materiaal

Er was een constructieproject op nanoschaal voor nodig dat vergelijkbaar was met de veel grotere die langs de snelwegen van Nebraska lopen, maar natuurkundige Xia Hong leidt nu het lukrake verkeer van elektronen goed genoeg om het te analyseren – en later om het te gebruiken in next-gen technologie .

Hong en haar collega’s van de Universiteit van Nebraska-Lincoln hebben de afgelopen jaren onderzocht wat er gebeurt en wat kan worden bereikt als nanoscopisch dunne materialen op elkaar worden gedeponeerd. Ze is druk bezig geweest om atomaire lagen van halfgeleiders – die elektriciteit beter geleiden dan isolatoren, maar niet zo goed als metalen – te vullen met ferro-elektriciteit, waarvan de uitlijning van positieve en negatieve ladingen, of polarisatie, onmiddellijk kan worden omgeschakeld door er een elektrisch veld op aan te leggen.

Met behulp van de aanpak heeft Hong al allerlei interessante, technologisch aantrekkelijke en, misschien wel het beste, herconfigureerbare verschijnselen in de onderliggende halfgeleiders veroorzaakt. In een nieuwe studie legde haar team een ​​​​ferro-elektrisch polymeer aan op een halfgeleider die bekend staat als rheniumdisulfide. Eerder onderzoek had gesuggereerd dat rheniumdisulfide een gewaardeerde eigenschap bezit: het vermogen om elektronen te transporteren of elektriciteit te geleiden, veel gemakkelijker in sommige richtingen dan in andere. Die kwaliteit, bekend als anisotropie, geeft elektrotechnici veel meer en meer controle over de stroom van elektrische stroom.

Maar eigenlijk was het meten, onderzoeken en manipuleren van het fenomeen moeilijk gebleken, deels vanwege het feit dat elektronen die door zelfs het dunste plakje rheniumdisulfide gaan, elkaar kunnen sidewipen of T-bone.

Hongs oplossing? Vergrendel de polarisatie van het bovenliggende polymeer en transformeer de onderliggende halfgeleider effectief in een isolator die de stroom van elektriciteit weerstaat. Draai vervolgens de polarisatie van het polymeer om, maar alleen in een lint van 300 nanometer breed dat het bovenliggende ferro-elektrische materiaal doorsneed. Het resultaat: een dunne, geleidende nanodraad in de anders isolerende laag reniumdisulfide eronder. Of, zoals Hong het beschreef, een eenzame snelweg voor elektronen te midden van een ondoordringbare woestijn.

Met het elektronenverkeer beperkt tot alleen dat pad, waren Hong en haar Husker-collega’s klaar om de stroom met ongekende precisie te bestuderen. Toen ze dat deden, ontdekten ze dat de geleidbaarheid van rheniumdisulfide in buitengewone mate afhangt van de oriëntatie van het pad zelf.

Als dat pad bijna evenwijdig is aan een as die wordt bepaald door de rangschikking van atomen in het materiaal, geleidt het elektriciteit bijna net zo goed als een metaal. Als het pad in plaats daarvan loodrecht op die as staat, daalt de geleidbaarheid abrupt. In feite is het hoekafhankelijke verschil in geleidbaarheid – de anisotropie – ongeveer 5.000 keer groter dan tot nu toe gerapporteerd in een 2D, ferro-elektrisch gecontroleerde configuratie.

“Dus hebben we deze zeer speciale techniek gebruikt om voor het eerst te bevestigen dat de anisotropie enorm is”, zegt Hong, universitair hoofddocent natuurkunde en astronomie in Nebraska.

Verrassend genoeg, zei Hong, was de anisotropie het grootst bij het meten ervan in rheniumdisulfide dat vier atomaire lagen dik was. Het was ook in de vierlaagse versie dat de metingen van haar team het meest overeenkwamen met theoretische voorspellingen die werden bijgedragen door Evgeny Tsymbal, hoogleraar natuurkunde en astronomie aan de George Holmes-universiteit.

Een deel van de reden? Door enkele lagen toe te voegen, werd wat complexiteit weggenomen, zei Hong. Meerdere factoren kunnen de anisotropie in enkellaags reniumdisulfide beïnvloeden. Maar het extreme geleidingsverschil in de vierlaagse versie kan alleen worden voorspeld door de zogenaamde bandstructuur: hoeveel elektronen kunnen een energieniveau bevolken dat hen in staat stelt te gaan migreren en, door dit te doen, elektrische stroom geleidt. Die energieband wordt in bepaalde richtingen vlakker naarmate er lagen worden toegevoegd, concludeerden de onderzoekers, waardoor er meer verkeersopstoppingen tussen elektronen ontstonden en de richtingsverschillen in geleidbaarheid escaleerden.

“De meeste mensen zouden de neiging hebben om zich te concentreren op een monolaag,” zei Hong. “Maar we ontdekten eigenlijk dat het materiaal met weinig lagen interessanter is.”

Hong zei dat kennis, en de omvang van het effect zelf, rheniumdisulfide vooral nuttig zou kunnen maken voor het maken van lenzen die elektronen focussen op dezelfde manier als optische lenzen lichtstralen doen. Elektronenlenzen helpen bij het produceren van beelden met een buitengewoon hoge resolutie van nanoscopische objecten die niet met licht kunnen worden opgelost.

“Dit materiaal heeft intrinsiek het vermogen om elektronen slechts effectief in één richting te laten bewegen”, zei Hong. “Dus we kunnen dit gebruiken als bouwsteen voor die lenzen.”

De anisotropie, gecombineerd met andere eigenschappen die inherent zijn aan de atomaire samenstelling van rheniumdisulfide, zou het materiaal ook kunnen positioneren als een vruchtbare speeltuin voor het genereren en beheersen van een reeks verschijnselen die veel breder zijn dan de meeste materialen kunnen beweren, zei Hong.

“Ik denk dat dit een materiaal is,” zei ze, “waarin je bijvoorbeeld magnetisme of supergeleiding zou kunnen bevatten.

“We denken dat dit een startpunt is. Dus we willen dit als gastheermateriaal gebruiken en, waarschijnlijk met enige manipulatie, leren deze verschijnselen aan en uit te zetten.”

De onderzoekers rapporteerden hun bevindingen in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven.