Nieuwe manier om elektrische lading in 2D-materialen te regelen: plaats er een vlok op

Een gelaagd apparaat draagt ​​elektrische lading over. Credit: Nano Letters

Natuurkundigen van de Washington University in St.Louis hebben ontdekt hoe ze lokaal elektrische lading kunnen toevoegen aan een atomair dun grafeenapparaat door vlokken van een ander dun materiaal, alpha-RuCl₃, daar bovenop.

Een paper gepubliceerd in het tijdschrift Nano Letters beschrijft het ladingsoverdrachtproces in detail. Controle krijgen over de stroom van elektrische stroom door atomair dunne materialen is belangrijk voor potentiële toekomstige toepassingen in fotovoltaïsche of computertechnologie.

“In mijn vakgebied, waar we van der Waals-heterostructuren bestuderen die zijn gemaakt door op maat gemaakte atomaire dunne materialen op elkaar te stapelen, controleren we de lading meestal door elektrische velden op de apparaten toe te passen”, zegt Erik Henriksen, assistent-professor natuurkunde in Arts & Sciences en corresponderende auteur van de nieuwe studie, samen met Ken Burch van Boston College. “Maar hier blijkt nu dat we gewoon lagen RuCl kunnen toevoegen₃. Het neemt een vaste hoeveelheid elektronen op, waardoor we ‘permanente’ ladingsoverdrachten kunnen maken waarvoor het externe elektrische veld niet nodig is. “

Jesse Balgley, een afgestudeerde student in het laboratorium van Henriksen aan de Washington University, is de tweede auteur van het onderzoek. Li Yang, hoogleraar natuurkunde, en zijn afgestudeerde student Xiaobo Lu, ook beiden aan de Washington University, hielpen bij computationeel werk en berekeningen, en zijn ook co-auteurs.

Natuurkundigen die gecondenseerde materie bestuderen, zijn geïntrigeerd door alpha-RuCl₃ omdat ze bepaalde van zijn antiferromagnetische eigenschappen willen benutten voor kwantumspinvloeistoffen.

In deze nieuwe studie rapporteren de wetenschappers dat alpha-RuCl₃ kan lading overbrengen naar verschillende soorten materialen – niet alleen grafeen, Henriksen’s persoonlijke favoriet.

Ze ontdekten ook dat ze maar één laag alpha-RuCl hoefden te plaatsen₃ bovenop hun apparaten om kosten te creëren en over te dragen. Het proces werkt nog steeds, zelfs als de wetenschappers een dunne laag elektrisch isolerend materiaal tussen de RuCl schuiven₃ en het grafeen.

“We kunnen bepalen hoeveel lading erin stroomt door de dikte van de isolator te variëren”, zei Henriksen. “Ook zijn we in staat om fysiek en ruimtelijk de bron van lading te scheiden van waar het naartoe gaat – dit wordt modulatiedoping genoemd.”

Het toevoegen van lading aan een kwantumspinvloeistof is een mechanisme waarvan wordt aangenomen dat het ten grondslag ligt aan de fysica van supergeleiding bij hoge temperatuur.

“Elke keer dat je dit doet, kan het spannend worden”, zei Henriksen. “En meestal moet je atomen toevoegen aan bulkmaterialen, wat veel wanorde veroorzaakt. Maar hier stroomt de lading direct naar binnen, het is niet nodig om de chemische structuur te veranderen, dus het is een ‘schone’ manier om lading toe te voegen.”