Natuurkundigen ontwikkelen ferro-elektriciteit tot een bekende familie van halfgeleiders

Natuurkundigen en collega’s van het MIT hebben een nieuwe eigenschap ontwikkeld in een bekende familie van halfgeleiders door ultradunne platen van materialen te manipuleren die slechts enkele atoomlagen dik zijn.

Het werk is belangrijk omdat de nieuwe materialen zelf interessante toepassingen kunnen hebben in computers en meer. Bovendien is de algemene benadering generiek en kan deze worden toegepast op andere reeds bestaande materialen, waardoor hun potentiële toepassingen ook worden uitgebreid.

Halfgeleiders zijn materialen zoals silicium met geleidbaarheid ergens tussen metalen, waardoor elektronen zeer efficiënt kunnen bewegen, en isolatoren (zoals glas) die het proces belemmeren. Ze vormen de hoeksteen van de computerindustrie.

De halfgeleidende materialen die betrokken zijn bij het huidige werk staan ​​bekend als overgangsmetaal dichalcogeniden (TMD’s). Het MIT-team toonde aan dat wanneer twee enkele vellen van een TMD, elk slechts een paar atoomlagen dik, evenwijdig aan elkaar worden gestapeld, het materiaal ferro-elektrisch wordt. In een ferro-elektrisch materiaal gaan positieve en negatieve ladingen spontaan naar verschillende kanten of polen. Bij het aanleggen van een extern elektrisch veld wisselen die ladingen van kant, waardoor de polarisatie wordt omgekeerd. In de nieuwe materialen gebeurt dit allemaal bij kamertemperatuur.

TMD’s staan ​​al bekend om hun interessante elektrische en optische eigenschappen. De onderzoekers zijn van mening dat het samenspel tussen die eigenschappen en de nieuw verleende ferro-elektriciteit kan leiden tot een verscheidenheid aan interessante toepassingen.

“Binnen korte tijd zijn we erin geslaagd om de kleine, maar groeiende familie van tweedimensionale ferro-elektriciteit, een belangrijk type materiaal aan de grens in toepassingen in nano-elektronica en kunstmatige intelligentie, enorm uit te breiden”, zegt Pablo Jarillo-Herrero, de Cecil en Ida Green Professor of Physics en leider van het werk, waarover werd gerapporteerd in Natuur Nanotechnologie. Jarillo-Herrero is ook verbonden aan MIT’s Materials Research Laboratory.

Naast Jarillo-Herrero zijn de auteurs van het artikel Xirui Wang, een afgestudeerde MIT-student in de natuurkunde; Kenji Yasuda en Yang Zhang, MIT-postdoctorale medewerkers; Song Liu van de Universiteit van Columbia; Kenji Watanabe en Takashi Taniguchi van het National Institute for Materials Science, in Japan; James Hone van Columbia University en Liang Fu, universitair hoofddocent natuurkunde aan het MIT.

Ultradunne ferro-elektriciteit

Vorig jaar toonden Jarillo-Herrero en veel van dezelfde collega’s aan dat wanneer twee atomair dunne platen boornitride parallel aan elkaar worden gestapeld, het boornitride ferro-elektrisch wordt. In het huidige werk pasten de onderzoekers dezelfde techniek toe op TMD’s.

Ultradunne ferro-elektriciteit zoals die gemaakt van boornitride en TMD’s kunnen belangrijke toepassingen hebben, waaronder een veel dichtere computergeheugenopslag. Maar ze zijn zeldzaam. Met de toevoeging van de vier nieuwe TMD ferro-elektriciteit gerapporteerd in Natuur Nanotechnologie, allemaal onderdeel van dezelfde halfgeleiderfamilie, “hebben we het aantal ultradunne ferro-elektriciteit bij kamertemperatuur bijna verdubbeld”, zegt Xirui Wang. Verder merkte ze op dat de meeste ferro-elektrische materialen isolatoren zijn. “Het is zeldzaam om een ​​ferro-elektriciteit te hebben die een halfgeleider is.”

Wat is het volgende?

“Dit is niet beperkt tot boornitride en TMD’s”, zegt Kenji Yasuda. “We hebben goede hoop dat onze techniek kan worden gebruikt om ferro-elektriciteit toe te voegen aan andere reeds bestaande materialen. Kunnen we bijvoorbeeld ferro-elektriciteit toevoegen aan magnetische materialen?”

Dit werk werd gefinancierd door het US Department of Energy Office of Science, het Army Research Office, de Gordon and Betty Moore Foundation, de US National Science Foundation, het Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology (MEXT) van Japan, en de Japan Society for the Promotion of Science.