Natuurkundigen bouwen nieuw pand uit ‘wit’ grafeen

Ultradunne materialen gemaakt van een enkele laag atomen hebben de aandacht van wetenschappers getrokken sinds de ontdekking van het eerste dergelijke materiaal – grafeen – ongeveer 17 jaar geleden. Naast andere vorderingen sindsdien hebben onderzoekers, waaronder die van een baanbrekend laboratorium aan het MIT, ontdekt dat het stapelen van afzonderlijke vellen van de 2D-materialen, en ze soms onder een kleine hoek ten opzichte van elkaar draaien, hen nieuwe eigenschappen kan geven, van supergeleiding tot magnetisme.

Nu hebben MIT-fysici van hetzelfde laboratorium en collega’s precies dat gedaan met boornitride, gedeeltelijk bekend als “wit grafeen”, omdat het een atomaire structuur heeft die lijkt op zijn beroemde neef. Het team heeft aangetoond dat wanneer twee enkele vellen boornitride parallel aan elkaar worden gestapeld, het materiaal ferro-elektrisch wordt, waarbij positieve en negatieve ladingen in het materiaal spontaan naar verschillende kanten of polen gaan. Bij het aanleggen van een extern elektrisch veld wisselen die ladingen van kant, waardoor de polarisatie wordt omgekeerd. Belangrijk is dat dit allemaal bij kamertemperatuur gebeurt.

Het nieuwe materiaal, dat werkt via een mechanisme dat totaal anders is dan bestaande ferro-elektrische materialen, zou veel toepassingen kunnen hebben.

“Er zijn al grote variëteiten van fysieke eigenschappen ontdekt in verschillende 2D-materialen. Nu kunnen we het ferro-elektrische boornitride gemakkelijk stapelen met andere materiaalfamilies om opkomende eigenschappen en nieuwe functionaliteiten te genereren”, zegt Pablo Jarillo-Herrero, de Cecil en Ida Green Professor of Physics en leider van het werk, dat werd gerapporteerd in het tijdschrift Science. Jarillo-Herrero is ook verbonden aan MIT’s Materials Research Laboratory.

Naast Jarillo-Herrero zijn andere auteurs van het artikel Kenji Yasuda, een postdoctoraal onderzoeker van het MIT; Xirui Wang, een afgestudeerde natuurkundestudent aan het MIT, en Kenji Watanabe en Takashi Taniguchi van het National Institute for Materials Science in Japan.

Potentiële toepassingen

Een van de mogelijke toepassingen van het nieuwe ultradunne ferro-elektrische materiaal is “een opwindende mogelijkheid om het te gebruiken voor dichtere geheugenopslag”, zegt Yasuda, hoofdauteur van het Science-paper. Dat komt omdat het veranderen van de polarisatie van het materiaal kan worden gebruikt om enen en nullen te coderen – digitale informatie – en die informatie zal in de loop van de tijd stabiel zijn. Het zal niet veranderen tenzij er een elektrisch veld wordt aangelegd. In de Science-paper rapporteert het team een ​​proof-of-principle-experiment dat deze stabiliteit aantoont.

Omdat het nieuwe materiaal slechts miljardsten van een meter dik is – het is een van de dunste ferro-elektriciteit die ooit is gemaakt – zou het ook een veel dichtere computergeheugenopslag mogelijk maken.

Het team ontdekte verder dat het draaien van de parallelle vellen boornitride onder een kleine hoek ten opzichte van elkaar resulteerde in nog een ander “compleet nieuw type ferro-elektrische toestand”, zegt Yasuda. Deze algemene benadering, bekend als twistronics, werd ontwikkeld door de Jarillo-Herrero-groep, die het gebruikte om onconventionele supergeleiding in grafeen te bereiken.

Nieuwe natuurkunde

Het nieuwe ultradunne ferro-elektrische materiaal is ook opwindend omdat het nieuwe fysica omvat. Het mechanisme achter hoe het werkt, is compleet anders dan dat van conventionele ferro-elektrische materialen.

Yasuda zegt: “De ferro-elektrische omschakeling buiten het vlak vindt plaats door de glijdende beweging in het vlak tussen twee boornitrideplaten. Deze unieke koppeling tussen verticale polarisatie en horizontale beweging wordt mogelijk gemaakt door de laterale stijfheid van boornitride.”

Naar andere ferro-elektriciteit

Yasuda merkt op dat andere nieuwe ferro-elektriciteit zou kunnen worden geproduceerd met dezelfde techniek als beschreven in Science. “Onze methode om een ​​niet-ferro-elektrisch uitgangsmateriaal om te zetten in een ultradun ferro-elektrisch materiaal is van toepassing op andere materialen met atomaire structuren die vergelijkbaar zijn met boornitride, dus we kunnen de familie van ferro-elektrische materialen enorm uitbreiden. Er bestaan ​​tegenwoordig nog maar een paar ultradunne ferro-elektrische materialen”, zegt hij. De onderzoekers werken daar momenteel aan en hebben veelbelovende resultaten geboekt.

Het Jarillo-Herrero-lab is een pionier in het manipuleren en onderzoeken van ultradunne, tweedimensionale materialen zoals grafeen. Desalniettemin was de omzetting van ultradun boornitride in een ferro-elektricum onverwacht.

Zegt Xirui Wang:

“Ik herinner me nog dat we de metingen aan het doen waren en we een ongewone sprong in de gegevens zagen. We besloten dat we het experiment opnieuw moesten doen, en toen we het steeds opnieuw deden, bevestigden we dat er iets nieuws aan de hand was.”