Nieuw voorgesteld multifunctioneel nanomateriaal zou zonne-energie en kwantumcomputers kunnen verbeteren

Een atypische tweedimensionale sandwich heeft het smakelijke gedeelte aan de buitenkant voor wetenschappers en ingenieurs die multifunctionele nanodevices ontwikkelen.

Een atoomdunne laag halfgeleiderantimoon gecombineerd met ferro-elektrisch indiumselenide zou unieke eigenschappen vertonen, afhankelijk van de zijde en polarisatie door een extern elektrisch veld.

Het veld zou kunnen worden gebruikt om de polarisatie van indiumselenide te stabiliseren, een lang gezochte eigenschap die de neiging heeft te worden vernield door interne velden in materialen zoals perovskieten, maar die zeer nuttig zou zijn voor toepassingen op zonne-energie.

Berekeningen door Rice materiaaltheoreticus Boris Yakobson, hoofdauteur en onderzoeker Jun-Jie Zhang en afgestudeerde student Dongyang Zhu laten zien dat het veranderen van de polarisatie van het materiaal met een extern elektrisch veld het ofwel een eenvoudige isolator maakt met een bandafstand die geschikt is voor absorptie van zichtbaar licht of een topologische isolator , een materiaal dat alleen elektronen langs het oppervlak geleidt.

Door het veld naar binnen te draaien, zou het materiaal geschikt zijn voor zonnepanelen. Door het naar buiten te draaien, zou het nuttig kunnen zijn als een spintronisch apparaat voor kwantumcomputers.

De studie van het lab verschijnt in het tijdschrift American Chemical Society Nano Letters.

“De mogelijkheid om naar believen te schakelen tussen de elektronische bandstructuur van het materiaal is een zeer aantrekkelijke knop”, zei Yakobson. “De sterke koppeling tussen ferro-elektrische toestand en topologische orde kan helpen: de aangelegde spanning schakelt de topologie door de ferro-elektrische polarisatie, die als tussenpersoon dient. Dit biedt een nieuw paradigma voor apparaatengineering en -regeling.”

Zwak gebonden door de van der Waals-kracht, veranderen de lagen hun fysieke configuratie wanneer ze worden blootgesteld aan een elektrisch veld. Dat verandert de band gap van de compound, en de verandering is niet triviaal, zei Zhang.

“De centrale seleniumatomen verschuiven samen met het schakelen van ferro-elektrische polarisatie”, zei hij. “Dit soort omschakeling in indiumselenide is waargenomen in recente experimenten.”

In tegenstelling tot andere structuren die zijn voorgesteld en uiteindelijk gemaakt door experimentalisten – boorbuckyballs zijn een goed voorbeeld – kan het schakelmateriaal volgens de onderzoekers relatief eenvoudig te maken zijn.

“In tegenstelling tot de typische vaste stoffen in bulk, maakt een gemakkelijke afschilfering van van der Waals-kristallen langs het lage oppervlakte-energievlak realistisch gezien hun herassemblage in heterobilayers mogelijk, wat nieuwe mogelijkheden opent zoals degene die we hier ontdekten,” zei Zhang.