Nieuw ontdekte grafeeneigenschappen kunnen van invloed zijn op de volgende generatie computers

MIT-onderzoekers en collega’s hebben een belangrijke – en onverwachte – elektronische eigenschap van grafeen ontdekt, een materiaal dat pas zo’n 17 jaar geleden werd ontdekt en dat wetenschappers blijft verrassen met zijn interessante fysica. Het werk, dat structuren omvat die zijn samengesteld uit atomair dunne materiaallagen die ook biocompatibel zijn, zou kunnen leiden tot nieuwe, snellere informatieverwerkingsparadigma’s. Een mogelijke toepassing is neuromorfisch computergebruik, dat tot doel heeft de neuronale cellen in het lichaam te repliceren die verantwoordelijk zijn voor alles, van gedrag tot herinneringen.

Het werk introduceert ook nieuwe fysica die de onderzoekers graag onderzoeken.

“Op grafeen gebaseerde heterostructuren blijven fascinerende verrassingen opleveren. Onze observatie van onconventionele ferro-elektriciteit in dit eenvoudige en ultradunne systeem daagt veel van de heersende aannames over ferro-elektrische systemen uit en het zou de weg kunnen banen voor een hele generatie nieuwe ferro-elektrische materialen”, zegt Pablo Jarillo-Herrero, de Cecil en Ida Green hoogleraar natuurkunde aan het MIT en leider van het werk, waarbij werd samengewerkt met vijf andere MIT-faculteiten van drie afdelingen.

Een nieuwe eigenschap

Grafeen is samengesteld uit een enkele laag koolstofatomen gerangschikt in zeshoeken die lijken op een honingraatstructuur. Sinds de ontdekking van het materiaal hebben wetenschappers aangetoond dat verschillende configuraties van grafeenlagen aanleiding kunnen geven tot een verscheidenheid aan belangrijke eigenschappen. Op grafeen gebaseerde structuren kunnen ofwel supergeleiders zijn, die elektriciteit zonder weerstand geleiden, of isolatoren, die de beweging van elektriciteit verhinderen. Ze blijken zelfs magnetisme te vertonen.

In het huidige werk, dat afgelopen december werd gerapporteerd in Natuur, laten de MIT-onderzoekers en collega’s zien dat dubbellaag grafeen ook ferro-elektrisch kan zijn. Dit betekent dat positieve en negatieve ladingen in het materiaal spontaan in verschillende lagen kunnen scheiden.

In de meeste materialen worden tegengestelde ladingen tot elkaar aangetrokken; ze willen combineren. Alleen de toepassing van een elektrisch veld zal ze naar tegenoverliggende zijden of polen dwingen. In een ferro-elektrisch materiaal is geen extern elektrisch veld nodig om de ladingen uit elkaar te houden, waardoor een spontane polarisatie ontstaat. Het aanleggen van een extern elektrisch veld heeft echter wel effect: een elektrisch veld van tegengestelde richting zorgt ervoor dat de ladingen van kant wisselen en de polarisatie omkeren.

Om al deze redenen worden ferro-elektrische materialen gebruikt in een verscheidenheid aan elektronische systemen, van medische echo’s tot RFID-kaarten (radiofrequentie-identificatie).

Conventionele ferro-elektrische verbindingen zijn echter isolatoren. Het ferro-elektrische materiaal van het door MIT geleide team op basis van grafeen werkt via een heel ander mechanisme – andere fysica – waardoor het elektriciteit kan geleiden. En dat opent talloze extra toepassingen. “Wat we hier hebben gevonden is een nieuw type ferro-elektrisch materiaal”, zegt Zhiren (Isaac) Zheng, een MIT-afgestudeerde natuurkunde-student en eerste auteur van de Nature-paper.

Qiong Ma, MIT Ph.D. 2016, een co-auteur van de paper en een assistent-professor aan het Boston College, plaatst het werk in perspectief. “Er zijn uitdagingen verbonden aan conventionele ferro-elektrische systemen waar mensen aan hebben gewerkt om te overwinnen. De ferro-elektrische fase wordt bijvoorbeeld onstabiel naarmate het apparaat verder wordt geminiaturiseerd. Met ons materiaal kunnen sommige van die uitdagingen automatisch worden opgelost.” Ma voerde het huidige werk uit als postdoctoraal medewerker via het Materials Research Laboratory (MRL) van MIT.

Belangrijke patronen

De structuur die het team heeft gemaakt, bestaat uit twee lagen grafeen – een dubbellaag – ingeklemd tussen atomair dunne lagen boornitride (BN) boven en onder. Elke BN-laag staat in een iets andere hoek dan de andere. Als je van bovenaf kijkt, is het resultaat een uniek patroon dat een moiré-superrooster wordt genoemd. Een moiré-patroon op zijn beurt “kan de eigenschappen van een materiaal drastisch veranderen”, zegt Zheng.

De groep van Jarillo-Herrero toonde hier in 2018 een belangrijk voorbeeld van. In dat werk rapporteerde ook in Natuurstapelden de onderzoekers twee lagen grafeen op elkaar. Die lagen lagen echter niet precies op elkaar; in plaats daarvan werd er een lichtjes geroteerd onder een “magische hoek” van 1,1 graden. De resulterende structuur creëerde een moirépatroon waardoor het grafeen op zijn beurt ofwel een supergeleider of een isolator kon zijn, afhankelijk van het aantal elektronen in het systeem zoals geleverd door een elektrisch veld. In wezen was het team in staat om “grafeen af ​​te stemmen op twee elektrische extremen”, aldus een MIT-nieuwsbericht destijds.

“Dus door deze moiré-structuur te creëren, is grafeen geen grafeen meer. Het verandert op magische wijze in iets heel, heel anders”, zegt Ma.

In het huidige werk creëerden de onderzoekers een moiré-patroon met vellen grafeen en boornitride dat heeft geresulteerd in een nieuwe vorm van ferro-elektriciteit. De fysica die betrokken is bij de beweging van elektronen door de structuur is anders dan die van conventionele ferro-elektrische systemen.

“De ferro-elektriciteit die de MIT-groep aantoont, is fascinerend”, zegt Philip Kim, hoogleraar natuurkunde en toegepaste fysica aan de Harvard University, die niet bij het onderzoek betrokken was.

“Dit werk is de eerste demonstratie die zuivere elektronische ferro-elektriciteit rapporteert, die ladingspolarisatie vertoont zonder ionische beweging in het onderliggende rooster. Deze verrassende ontdekking zal zeker uitnodigen tot verdere studies die meer opwindende opkomende verschijnselen kunnen onthullen en een kans bieden om ze te gebruiken voor ultrasnel geheugen. toepassingen. ”

De onderzoekers willen het werk voortzetten door niet alleen het potentieel van het nieuwe materiaal voor verschillende toepassingen aan te tonen, maar ook door een beter begrip van de fysica ervan te ontwikkelen. “Er zijn nog steeds veel mysteries die we niet helemaal begrijpen en die fundamenteel erg intrigerend zijn”, zegt Ma.