Team demonstreert zeldzame vorm van elektriciteit in ultradun materiaal

Een zijaanzicht van molybdeendisulfide, een technologisch aantrekkelijk materiaal dat bestaat uit twee zwavelatomen (geel en groen) voor elk molybdeen (paars en blauw). Onderzoekers van Nebraska ontdekten dat de opwaartse verschuiving van de groene zwavelatomen bijdraagt ​​aan de opkomst van ferro-elektriciteit, een gewaardeerde maar zeldzame eigenschap die kan helpen bij het coderen van digitale gegevens met aanzienlijk minder stroom. Krediet: Alexey Lipatov / npj 2D-materialen en toepassingen

Het nanoscopische equivalent van het stapelen van een pak kaarten – materialen van slechts enkele atomen dik op elkaar stapelen – is uitgegroeid tot een favoriet tijdverdrijf van materiaalwetenschappers en elektrotechnici over de hele wereld.

Net zoals kaarten per kleur en waarde kunnen verschillen, kunnen de eigenschappen van die atomair dunne 2D-materialen ook variëren: elektronisch, magnetisch, optisch of op een aantal andere manieren. En net zoals het combineren van de juiste kaarten waardevolle handen kan opleveren, kunnen de juiste combinaties van 2D-materialen technologisch waardevolle resultaten opleveren.

Alexei Gruverman, Alex Sinitskii en collega’s van de Universiteit van Nebraska-Lincoln hebben nu aangetoond dat een bepaald 2D-materiaal, dat al als een gezichtskaart wordt beschouwd, in feite als een aas in het gat geldt.

Dat materiaal is molybdeendisulfide, of MoS₂. Samen met partners uit Luxemburg, China en Frankrijk hebben de Husker-onderzoekers aangetoond dat MoS₂ bezit een lang getheoretiseerde eigenschap die computers, telefoons en andere micro-elektronica zou kunnen helpen om zowel stroom als hun exacte elektrische toestand te besparen, zelfs nadat ze zijn uitgeschakeld.

MoS₂’s energiebesparende, staatsbesparende belofte komt met dank aan een gewaardeerde maar ongebruikelijke eigenschap die bekend staat als ferro-elektriciteit. De verticale scheiding en rangschikking van negatieve versus positieve ladingen in ferro-elektrische materialen kan onmiddellijk worden omgedraaid door gewoon wat spanning toe te passen. Die tegengesteld uitgelijnde of gepolariseerde toestanden kunnen worden gelezen of opgeslagen als de enen en nullen van binaire gegevens, waarbij de toestanden behouden blijven, zelfs wanneer een stroombron is uitgeschakeld.

Dat ‘set-it-and-forget-it’-voordeel wordt nog verergerd door het feit dat spanning polarisatie kan omkeren en een respectievelijke 1 of 0 kan coderen, terwijl het veel minder energie trekt dan de magnetische velden die vaak worden gebruikt om digitale gegevens te coderen. Gezamenlijk hebben deze voordelen ferro-elektrische materialen gepositioneerd als een prominente speler in een toekomst die nog meer afhankelijk is van micro-elektronica.

Door theorie ondersteunde simulaties hadden gesuggereerd dat MoS₂ was zo’n materiaal. Maar net als bij andere 2D-materialen, was bewijzen dat het verschrikkelijk moeilijk was. Maar door vlokken molybdeendisulfide te prikken met een nanoscopische naald die het materiaal tegelijkertijd met een elektrisch veld aanstak, is het door Husker geleide team erin geslaagd te bevestigen dat MoS₂ is in feite ferro-elektrisch. De gepolariseerde toestanden van het materiaal hielden tot weken achtereen vast, aldus de onderzoekers, en werden waargenomen met de MoS₂ vlokken zitten bovenop een van de verschillende andere materialen.

“Ferro-elektriciteit in tweedimensionale materialen is over het algemeen een nieuw fenomeen”, zegt Sinitskii, hoogleraar scheikunde aan Nebraska. “Het werd vrij recent ontdekt en de voorbeelden van tweedimensionale systemen die ferro-elektrische polarisatie vertonen, zijn nog steeds erg beperkt.”

Ferro-elektriciteit alleen zou dus voldoende zijn om molybdeendisulfide omhoog te stuwen op de ranglijst van 2D-materialen. Toch MoS₂ beschikt over andere eigenschappen die aantrekkelijk zijn voor de ingenieurs die belast zijn met het bouwen van betere apparaten. Het is relatief eenvoudig te kweken, eerst in bulk, daarna door atomair dunne lagen af ​​te pellen met behulp van plakband. In tegenstelling tot veel van zijn 2D-tegenhangers, houdt het stand bij blootstelling aan lucht en speelt het goed met de zuurstofrijke materialen die in veel elektronische componenten worden aangetroffen.

Afgezien daarvan is het een halfgeleidend materiaal in de trant van silicium – de al lang bestaande keuze voor geïntegreerde schakelingen of microchips – wat betekent dat de stroom van elektrische stroom met minimale inspanning kan worden geactiveerd en gestopt. Dat stelt MoS₂ afgezien van de meeste ferro-elektriciteit, zei Gruverman.

In de nasleep van de studie van het team, die in het tijdschrift verscheen npj 2D-materialen en toepassingenMoS₂ voegt zich nu bij slechts een handvol materialen met een hoge maar toch controleerbare geleidbaarheid en gemakkelijk schakelbare polarisatie, aldus de onderzoekers.

“Er was altijd een streven om halfgeleidende en ferro-elektrische eigenschappen in één materiaal te combineren, want dat zou het een zeer krachtig materiaal maken – een heilige graal, zo je wilt – voor de halfgeleiderindustrie”, zegt Gruverman, Charles Mach University Professor in de natuurkunde en astronomie.

‘De structuur die we zagen was duidelijk ongekend’

De atomen van een materiaal kunnen verschillende configuraties aannemen die verschillende eigenschappen genereren. Het bekendste voorbeeld van het fenomeen zou koolstof kunnen zijn, dat kan variëren van een zachte zwarte klomp steenkool tot een bijna onverwoestbare, transparante diamant.

Molybdeendisulfide, dat uit één molybdeenatoom per twee zwavel bestaat, is geen uitzondering. In zijn meest stabiele toestand, bekend als 2H, werkt het materiaal als een halfgeleider, maar mist het eigenlijk ferro-elektriciteit. Maar de MoS . aansporen₂ met een minuscuul punt verschoof sommige van de zwavelatomen naar boven, ontdekte het team, waardoor de afstanden tussen die atomen en het molybdeen veranderden. Dat veranderde op zijn beurt de verdeling van de elektronenwolken van de atomen, waardoor uiteindelijk de halfgeleidende 2H werd getransformeerd in een meer geleidende, ferro-elektrische fase die bekend staat als 1T.”

Om de polarisatie van MoS . te veranderen₂, maakten de onderzoekers gebruik van het zogenaamde flexo-elektrische effect: een verandering in het elektrische gedrag van een materiaal wanneer het begint te spannen onder de kracht van een mechanische spanning. Al meer dan een halve eeuw weten natuurkundigen dat hoe variabeler de spanning – dat wil zeggen, hoe groter de verschillen in hoe verschillende delen van een materiaal onder spanning zullen vervormen – hoe meer uitgesproken de elektrische polarisatie zal zijn. Dikkere materialen hebben de neiging om vrij uniforme spanningen te ervaren, zei Gruverman, wat resulteert in beperkte polarisatie en bruikbaarheid voor het coderen van binaire gegevens.

Een 2D-materiaal zoals MoS₂– vooral een die met de fijnste fijne punten is geprikt – is een heel ander vooruitzicht, wat een enorme ongelijkheid in spanningen oplevert en bijgevolg een enorm flexo-elektrisch effect.

“In materialen zo dun als MoS₂dit flexo-elektrische effect is zeer diepgaand,” zei Gruverman. “Wat belangrijk is, is dat deze benadering kan worden gebruikt als een zeer effectief hulpmiddel om polarisatietoestanden in ferro-elektriciteit te regelen.

“Nu hebben we aangetoond dat we, naast het elektrische veld, mechanische spanning kunnen gebruiken als een manier om de elektronische eigenschappen van deze heterostructuren te regelen of af te stemmen.”

Het team ontdekte ook een verrassing die zou kunnen werken in MoS₂’s gunst. Hoewel de vlokken die Sinitskii en zijn collega’s maakten vrijwel ongerept waren, kwam het team af en toe polarisatiesignalen tegen die aanzienlijk zwakker waren dan ze hadden verwacht. Nieuwsgierig, Sinitskii had het idee om de vlokken om te draaien en de signalen opnieuw te meten, in de hoop inzicht te krijgen in de ultradunne derde dimensie van het in wezen 2D-materiaal.

Toen ze dat deden, stelden de onderzoekers vast dat de vlokken willekeurig afwisselende polarisatielagen bevatten – sommige met positieve ladingen aan de bovenkant en negatieve ladingen aan de onderkant, andere omgekeerd.

“De structuur die we observeerden was duidelijk ongekend, omdat geen van de tweedimensionale ferro-elektrische structuren die mensen eerder observeerden dit soort rangschikking van ferro-elektrische domeinen vertoonde,” zei Sinitskii.

Het bestaan ​​van die willekeurig afwisselende lagen impliceerde nog een verrassing. In sommige gevallen botsen gelijk-ondertekende beschuldigingen tegen elkaar – positief tegen positief of negatief tegen negatief – zonder elkaar af te stoten, zoals normaal zou worden verwacht. Hoe? Het team vermoedt dat de bijzonder hoge geleidbaarheid van 1T” MoS₂ bevordert de stroom van voldoende ladingen tussen die lagen om de afstoting te voorkomen. Het is mogelijk, zei Gruverman, dat de stromen tussen de lagen kunnen worden gecontroleerd door de polarisatie van de MoS om te draaien₂ flakes en biedt een andere, hypergelokaliseerde manier om gegevens te coderen.

“Het is vrij ongebruikelijk om deze lagen van een materiaal te hebben waar polarisatie in één laag niets geeft om de polarisatietoestand in de aangrenzende laag,” zei Gruverman. “Normaal gesproken zou dit soort kop-aan-kop en staart-aan-staart-configuratie zeer ongunstig zijn. Toch lijkt het erop dat deze lagen hier absoluut ongevoelig zijn voor de polarisatietoestand in de aangrenzende lagen.”

Maar de volledige belofte van molybdeendisulfide kan zich alleen openbaren, zei Sinitskii, wanneer materiaalwetenschappers – nu de echte waarde van MoS kennen₂— slaag erin om het in de juiste handen te spelen.

“Dit is momenteel een zeer actueel onderwerp”, zei Sinitskii. “Er zijn veel mensen die deze verschillende lagen echt door elkaar schudden en op elkaar stapelen. Nu hebben ze een ander soort tweedimensionaal materiaal dat aan die stapels kan worden toegevoegd en ze diverser, programmeerbaarder en, uiteindelijk, nuttiger.”