Nieuwe techniek toont veelbelovende mogelijkheden voor massafabricage van exotisch quasi-1D-materiaal

Onderzoekers hebben een quasi-eendimensionale dunne film van van der Waals-zirconiumtelluride gefabriceerd, een vorm van een substantie die al lang vooruitgang belooft in quantumcomputing, nano-elektronica en andere geavanceerde technologieën. Tot nu toe heeft het wetenschappers die hebben geprobeerd het in grote hoeveelheden te produceren, voor een raadsel gesteld.

Er werd een artikel gepubliceerd waarin een nieuwe fabricagetechniek werd beschreven gepubliceerd in de Tijdschrift voor materiaalkunde en -technologie op 8 juni 2024.

Quasi-eendimensionale (quasi-1D) Van der Waals-materialen zijn de afgelopen jaren een hot topic geworden in materiaalkundig onderzoek vanwege hun unieke structuur en de kwantumeffecten die ongebruikelijke elektrische, optische en mechanische eigenschappen opleveren.

Ze worden “quasi” 1D-substanties genoemd omdat de moleculen in echte 1D-materialen ketens zijn die verbonden zijn door covalente chemische bindingen, terwijl in quasi-1D-materialen extreem zwakke intermoleculaire krachten – bekend als van der Waals-krachten – tussen deze 1D-ketens ze ook rangschikken in 2D-vellen. Dit combineert de voordelen van het vermogen van 1D-substanties om kwantumeffecten te versterken met de voordelen van stapelbare 2D-velmaterialen.

Door deze dubbele kracht worden quasi-1D-materialen algemeen beschouwd als cruciaal voor de ontwikkeling van de volgende generatie nano-elektronica, quantumcomputing, spintronica en andere geavanceerde technologieën.

Zirkoniumpentatelluride (ZrTe₅) heeft onlangs de aandacht getrokken als materiaal vanwege zijn eigenschappen als een Dirac- en Weyl-halfmetaal, waarbij de elektronen zich gedragen alsof ze nul massa hebben, en dus nog meer exotische optische en magnetische eigenschappen hebben.

“Helaas is het tot nu toe vanwege de moeilijkheid van grootschalige productie van ZrTe₅ “In films is deze wondersubstantie nog steeds een soort laboratoriumnoviteit”, legt Yi Shuang van het WPI Advanced Institute for Materials Research (WPI-AIMR) aan de Tohoku Universiteit uit.

Onderzoekers kozen voor een alternatieve methode voor de productie van dunne films: physical vapor deposition (PVD). Specifiek maakten ze gebruik van PVD “sputteren.”

In deze context betekent sputteren niet de explosieve geluiden van een stervende motor. Sputteren verwijst eerder naar het bombarderen van een doelsubstantie door atomen of ionen, wat resulteert in een uitstoot van materiaal van dat doel en op een andere substantie of “substraat”. PVD-sputteren is een bekend productieproces in de halfgeleiderindustrie.

De onderzoekers gebruikten een RF-magnetron, een apparaat dat radiofrequentie-energie gebruikt om het sputtereffect te produceren, op zirkonium- en telluriumdoelen tegelijkertijd. Grootschalige groei van quasi-1D ZrTe₅ werd bereikt.

Onmiddellijk na de afzetting van de ZrTe₅ op het substraat waren de films aanvankelijk in een amorfe toestand. Echter, bij warmtebehandeling in een argonatmosfeer treedt kristallisatie op, wat leidt tot een dramatische verandering in de eigenschappen van het materiaal. Deze overgang is cruciaal voor het verkrijgen van de specifieke kenmerken die nodig zijn voor de gewenste quasi-1D ZrTe₅ toepassingen.

Een gedetailleerde analyse van deze transformatie van amorfe naar kristallijne structuur onthulde waarom dit gebeurt. Hiermee bevorderde het onderzoeksteam het fundamentele begrip van amorfe-naar-kristallijne faseovergang in quasi-1D-materialen in het algemeen, niet alleen van ZrTe₅.

Het team wil nu de analyse van het kristallisatieproces verfijnen met behulp van andere geavanceerde technieken. Ook wil het de prestaties van het materiaal in echte toepassingen testen.