Signaturtilgang afslører værdsatte egenskaber i nanoskopisk materiale

Det krævede et byggeprojekt i nanoskala på niveau med de meget større, der peber på Nebraskas motorveje, men fysikeren Xia Hong leder nu den tilfældige trafik af elektroner godt nok til at analysere den – og, ned ad vejen, tage det i brug i næste generations teknologi.

Hong og hendes kolleger fra University of Nebraska-Lincoln har viet de sidste par år til at studere, hvad der sker, og hvad kan man opnå, ved aflejring af nanoskopisk tynde materialer oven på hinanden. Hun har haft travlt med at toppe atomlag af halvledere - som leder elektricitet bedre end isolatorer, men ikke så godt som metaller - med ferroelektrik, hvis justering af positive og negative ladninger, eller polarisering, kan øjeblikkeligt skiftes ved at påføre dem et elektrisk felt.

Ved at bruge tilgangen, Hong har allerede fremkaldt alle mulige interessante, teknologisk tiltalende og, måske bedst af alt, rekonfigurerbare fænomener i de underliggende halvledere. I en ny undersøgelse, hendes hold lagde en ferroelektrisk polymer ovenpå en halvleder kendt som rheniumdisulfid. Tidligere forskning havde antydet, at rheniumdisulfid kan prale af en værdsat egenskab:evnen til at transportere elektroner, eller lede elektricitet, meget lettere i nogle retninger end andre. Den kvalitet, kendt som anisotropi, giver elektroingeniører meget større og nødvendig kontrol over strømmen af ​​elektrisk strøm.

Men faktisk måler, at undersøge og manipulere fænomenet havde vist sig vanskeligt, dels på grund af det faktum, at elektroner, der strømmer gennem selv den tyndeste skive rheniumdisulfid, er tilbøjelige til at stryge eller T-knogle hinanden.

Hongs løsning? Lås polariseringen af ​​den overliggende polymer og transformer effektivt den underliggende halvleder til en isolator, der modstod strømmen af ​​elektricitet. Derefter, vend polariseringen af ​​polymeren - men kun i et 300 nanometer bredt bånd, der delte det overliggende ferroelektriske materiale. Resultatet:en tynd, ledende nanotråd i det ellers isolerende lag af rheniumdisulfid under den. Eller, som Hong beskrev det, en ensom motorvej for elektroner midt i en ufremkommelig ørken.

Med elektrontrafikken begrænset til netop den vej, Hong og hendes Husker-kolleger var klar til at studere dens flow med et hidtil uset niveau af præcision. Da de gjorde det, de opdagede, at rheniumdisulfids ledningsevne afhænger af, i ekstraordinær grad, om orienteringen af ​​selve stien.

Hvis denne vej er tæt på parallel med en akse defineret af arrangementet af atomer i materialet, det leder elektricitet næsten lige så godt som et metal. Hvis stien i stedet er vinkelret på denne akse, selvom, ledningsevnen falder brat. Faktisk, den vinkelafhængige forskel i ledningsevne - dens anisotropi - er omkring 5, 000 gange større end nogen rapporteret i en 2D, ferroelektrisk styret konfiguration til dato.

"Så vi brugte denne meget specielle teknik til at bekræfte, for første gang, at anisotropien er enorm, " sagde Hong, lektor i fysik og astronomi i Nebraska.

Overraskende nok, Hong sagde, anisotropien var størst, når man målte den i rheniumdisulfid, der var fire atomlag tykt. Det var også i fire-lags versionen, at hendes holds målinger passede tættest sammen med teoretiske forudsigelser bidraget af Evgeny Tsymbal, George Holmes University professor i fysik og astronomi.

En del af årsagen? Tilføjelse af nogle lag fratrak noget kompleksitet, sagde Hong. Flere faktorer kan påvirke anisotropi i enkeltlags rheniumdisulfid. Men den ekstreme ledningsevneforskel i firelagsversionen kan forudsiges af dens såkaldte båndstruktur alene:hvor mange elektroner kan befolke et energiniveau, der gør det muligt for dem at begynde at migrere og, ved at gøre det, lede elektrisk strøm. Det energibånd flader i visse retninger, efterhånden som lag tilføjes, konkluderede forskerne, producere flere trafikpropper blandt elektroner og eskalere retningsforskellene i ledningsevne.

"De fleste mennesker ville have en tendens til at fokusere på et enkeltlag, " sagde Hong. "Men vi fandt, rent faktisk, at det er få-lags-materialet, der er mere interessant."

Hong sagde, at viden, og størrelsen af ​​selve effekten, kunne gøre rheniumdisulfid særligt nyttigt til fremstilling af linser, der fokuserer elektroner på samme måde, som optiske linser gør lysstråler. Elektronlinser hjælper med at give ekstraordinært højopløselige billeder af nanoskopiske objekter, som ikke kan opløses med lys.

"Dette materiale har, iboende, en evne til at få elektroner til kun at bevæge sig effektivt i én retning, " sagde Hong. "Så vi kan bruge dette som en byggesten til de linser."

Dens anisotropi, kombineret med andre egenskaber, der er iboende til atomsammensætningen af ​​rheniumdisulfid, kan også placere materialet som en frugtbar legeplads til at generere og kontrollere en række fænomener, der er meget bredere, end de fleste materialer kan hævde, sagde Hong.

"Jeg tror, ​​det er et materiale, " hun sagde, "hvor du kunne være vært for magnetisme eller superledning, for eksempel.

"Vi synes, dette er et udgangspunkt. Så vi vil bruge dette som værtsmateriale og, sandsynligvis med en vis manipulation, lær at tænde og slukke for disse fænomener."

Forskerne rapporterede deres resultater i tidsskriftet Fysiske anmeldelsesbreve .