Een UNSW-paper dat onlangs is gepubliceerd in Materialen voor natuurrecensies presenteert een opwindend overzicht van het opkomende veld van 2D-ferro-elektrische materialen met gelaagde Van der Waals-kristalstructuren, een nieuwe klasse van laagdimensionale materialen die zeer interessant is voor toekomstige nano-elektronica.
Toekomstige toepassingen zijn onder meer ultra-lage energie-elektronica, krachtige, niet-vluchtige gegevensopslag, opto-elektronica met hoge respons en flexibele (energie-oogstende of draagbare) elektronica.
Structureel verschillend van conventionele oxide-ferro-elektriciteit met stijve roosters, hebben van der Waals (vdW) ferro-elektriciteit stabiele gelaagde structuren met een combinatie van sterke intralaag- en zwakke tussenlaagkrachten.
Deze speciale atomaire rangschikkingen, in combinatie met de ferro-elektrische orde, geven aanleiding tot fundamenteel nieuwe fenomenen en functionaliteiten die niet gevonden worden in conventionele materialen.
“Fundamenteel nieuwe eigenschappen worden gevonden wanneer deze materialen worden geëxfolieerd tot atomair dunne lagen”, zegt auteur Dr. Dawei Zhang. “De oorsprong van de polarisatie en de schakelmechanismen voor de polaire orde kunnen bijvoorbeeld verschillen van conventionele ferro-elektriciteit, waardoor nieuwe materiaalfunctionaliteit mogelijk wordt.”
Een van de meest intrigerende aspecten van deze materialen is hun gemakkelijk stapelbare aard vanwege de zwakke van der Waals-tussenlaagbindingen, wat betekent dat vdW-ferro-elektriciteit gemakkelijk kan worden geïntegreerd met zeer ongelijke kristalstructuurmaterialen, zoals industriële siliciumsubstraten, zonder grensvlakproblemen.
“Dit maakt ze zeer aantrekkelijk als bouwstenen voor post-Moore’s law-elektronica”, zegt auteur prof. Jan Seidel, ook bij UNSW.
Vanuit het perspectief van toepassingen en nieuwe functionaliteiten biedt vdW-ferro-elektriciteit een breed scala aan mogelijkheden voor nano-elektronica vanwege hun gemakkelijk verkrijgbare ferro-elektriciteit op nanoschaal en bungelende, bindingsvrije, schone vdW-interfaces die CMOS-compatibele (huidige siliciumtechnologie) integratie vergemakkelijken.
De nieuwe review bespreekt experimenteel geverifieerde vdW ferro-elektrische systemen en hun unieke kenmerken, zoals viervoudige putpotentialen, metallische ferro-elektriciteit en dipoolvergrendelingseffecten. Het bespreekt ook gemanipuleerde vdW-ferro-elektriciteit in stapels van anders niet-polaire moedermaterialen die zijn gecreëerd door de centrosymmetrie kunstmatig te doorbreken.
Daarnaast worden innovatieve apparaattoepassingen getoond die gebruikmaken van vdW-ferro-elektriciteit, waaronder elektronische transistors die de fundamentele thermodynamische limieten kunnen overtreffen, niet-vluchtige geheugens en opto-elektronische en flexibele apparaten. Recente vooruitgang en bestaande uitdagingen bieden perspectief op toekomstige onderzoeksrichtingen en toepassingen.
“Het is een relatief nieuw veld, dus er zijn nog veel uitdagingen die moeten worden opgelost om het volledige technologische potentieel van deze materialen te realiseren”, zegt auteur Dr. Pankaj Sharma. “We moeten bijvoorbeeld grootschalige, uniforme, waferschaalgroei en integratiemethoden aanpakken. Deze zullen de ontwikkeling van futuristische energiezuinige elektronica en computeroplossingen mogelijk maken.”
Gezien de recente opkomst van vdW ferro-elektriciteit, ontwikkelt de materialenbibliotheek van dergelijke systemen zich snel. Dit laat ruimte voor nieuwe ontwikkelingen, zoals multiferroiciteit en gekoppelde functionaliteiten van meerdere ordes, bijvoorbeeld ferro-elektriciteit en magnetisme, en de functionaliteit van domeinwanden in dergelijke materialen.
Het artikel, “Ferro-elektrische orde in van der Waals gelaagde materialen”, werd gepubliceerd in Materialen voor natuurrecensies in oktober 2022.
Dawei Zhang et al, Ferro-elektrische orde in van der Waals gelaagde materialen, Materialen voor natuurrecensies (2022). DOI: 10.1038/s41578-022-00484-3
Geleverd door FLEET