Natuurkundigen ontdekken nieuw tweedimensionaal materiaal

Wetenschappers van de Universiteit van Arkansas maken deel uit van een internationaal team dat een tweedimensionaal ferro-elektrisch materiaal heeft ontdekt van slechts twee atomen dik.

Tweedimensionale materialen zijn ultradunne membranen die veelbelovend zijn voor nieuwe opto-elektronische, thermische en mechanische toepassingen, waaronder ultradunne gegevensopslagapparaten die zowel opvouwbaar als informatiedicht zijn.

Ferro-elektrische materialen zijn materialen met een intrinsiek dipoolmoment – een maat voor de scheiding van positieve en negatieve ladingen – die kunnen worden omgeschakeld door een elektrisch veld, zei Barraza-Lopez. “Een enkel watermolecuul heeft bijvoorbeeld ook een intrinsiek elektron-dipoolmoment, maar de thermische beweging van individuele watermoleculen onder normale omstandigheden (bijvoorbeeld in een waterfles) verhindert het creëren van een intrinsiek dipoolmoment over macroscopische afstanden.”

Onderzoekers hebben de afgelopen vijf jaar krachtig aangedrongen op het inzetten van atomair dunne, tweedimensionale ferro-elektrische verbindingen, zei hij. Het nieuwe materiaal dat door het team is ontdekt, een monolaag van tinselenide, is slechts het derde tweedimensionale ferro-elektrische materiaal dat tot de chemische familie van monochalcogeniden van groep IV behoort en tot dusver experimenteel is gekweekt. Naast U of A-wetenschappers omvatte het team onderzoekers van het Max Planck Institute for Microstucture Physics in Duitsland en de Beijing Academy of Quantum Information Sciences in China. De ontdekking werd beschreven in een paper gepubliceerd in het tijdschrift Nano Letters.

Met behulp van een scanning tunneling microscoop schakelden onderzoekers het elektron-dipoolmoment van monolagen van tin-selenide die op een grafietsubstraat waren gegroeid, om. Berekeningen uitgevoerd door U of A afgestudeerde student Brandon Miller bevestigden een sterk georiënteerde groei van dit materiaal op een dergelijk substraat.

De experimentele toepassing van deze materialen helpt bij het ondersteunen van theoretische voorspellingen die ten grondslag liggen aan echt nieuw fysiek gedrag. Deze halfgeleidende ferro-elektrische materialen ondergaan bijvoorbeeld fase-overgangen die worden geïnduceerd door de temperatuur waarin hun intrinsieke elektrische dipool wordt gedoofd (individuele intrinsieke elektrische dipolen fluctueren zoals ze doen in water); ze bevatten ook niet-lineaire optische effecten die nuttig kunnen zijn voor ultracompacte opto-elektronische toepassingen.