Indsprøjtning af elektroner rykker 2-D struktur i nyt atommønster

Den samme elektrostatiske ladning, der kan få håret til at sidde og slutte balloner til tøj, kan være en effektiv måde at drive fremtidens atom tynde elektroniske hukommelsesenheder på, ifølge en ny undersøgelse ledet af forskere ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab).

I en undersøgelse offentliggjort i dag i tidsskriftet Natur , forskere har fundet en måde at reversibelt ændre atomstrukturen i et 2-D-materiale ved at injicere, eller "doping, "det med elektroner. Processen bruger langt mindre energi end nuværende metoder til at ændre konfigurationen af ​​et materiales struktur.

"Vi viser, for første gang, at det er muligt at injicere elektroner for at drive strukturelle faseændringer i materialer, "sagde undersøgelsesforsker Xiang Zhang, senior fakultetsforsker ved Berkeley Labs Materials Sciences Division og professor ved UC Berkeley. "Ved at tilføje elektroner til et materiale, den samlede energi stiger og vil tippe balancen, hvilket resulterer i at atomstrukturen omarrangeres til et nyt mønster, der er mere stabilt. Sådanne elektrondoping-drevne strukturelle faseovergange ved 2-D-grænsen er ikke kun vigtig i grundlæggende fysik; det åbner også døren for ny elektronisk hukommelse og lavt strømforbrug i den næste generation af ultratynde enheder. "

At skifte et materiales strukturelle konfiguration fra en fase til en anden er det grundlæggende, binært kendetegn, der ligger til grund for nutidens digitale kredsløb. Elektroniske komponenter, der er i stand til denne faseovergang, er skrumpet ned til papirtynde størrelser, men de anses stadig for at være bulk, 3D-lag af forskere. Til sammenligning, 2-D monolagsmaterialer består af et enkelt lag af atomer eller molekyler, hvis tykkelse er 100, 000 gange så lille som et menneskehår.

"Ideen om elektrondoping for at ændre et materiales atomstruktur er unik for 2-D materialer, som er meget mere elektrisk afstembare i forhold til 3-D bulk materialer, "sagde studieforfatteren Jun Xiao, en kandidatstuderende i Zhangs laboratorium.

Den klassiske tilgang til at drive den strukturelle overgang af materialer involverer opvarmning til over 500 grader Celsius. Sådanne metoder er energikrævende og ikke mulige til praktiske anvendelser. Ud over, den overskydende varme kan reducere levetiden for komponenter i integrerede kredsløb betydeligt.

En række forskergrupper har også undersøgt brugen af ​​kemikalier til at ændre konfigurationen af ​​atomer i halvledermaterialer, men denne proces er stadig vanskelig at kontrollere og er ikke blevet bredt vedtaget af industrien.

"Her bruger vi elektrostatisk doping til at kontrollere atomkonfigurationen af ​​et todimensionalt materiale, "sagde forfatterens medforfatter Ying Wang, en anden kandidatstuderende i Zhangs laboratorium. "Sammenlignet med brugen af ​​kemikalier, vores metode er reversibel og fri for urenheder. Det har større potentiale for integration i fremstilling af mobiltelefoner, computere og andre elektroniske enheder. "

Forskerne brugte molybdæn ditellurid (MoTe2), en typisk 2-D halvleder, og belagt det med en ionisk væske (DEME-TFSI), som har en ultrahøj kapacitans, eller evnen til at lagre elektriske ladninger. Laget af ionisk væske tillod forskerne at injicere halvlederen med elektroner ved en tæthed på hundrede billioner til en kvadrillion pr. Kvadratcentimeter. Det er en elektrontæthed, der er en til to ordrer større i størrelse, end hvad der kunne opnås i 3-D bulk materialer, sagde forskerne.

Gennem spektroskopisk analyse, forskerne fastslog, at indsprøjtning af elektroner ændrede atomernes arrangement af molybdæn ditellurid fra en sekskantet form til en, der er monoklinisk, som har mere af en skrå kubisk form. Når elektronerne var trukket tilbage, krystalstrukturen vendte tilbage til sit originale sekskantede mønster, viser, at faseovergangen er reversibel. I øvrigt, disse to typer atomarrangementer har meget forskellige symmetrier, giver en stor kontrast til applikationer i optiske komponenter.

"En sådan atomisk tynd enhed kan have to funktioner, fungerer samtidigt som optiske eller elektriske transistorer, og dermed udvide funktionaliteten af ​​elektronikken, der bruges i vores daglige liv, "sagde Wang.