Forskere skaber verdens første system til at måle den kraft, der er nødvendig for at adskille et krystals mikroskopiske lag

Fyrre år efter den teoretiske forudsigelse af den kraft, der kræves for at overvinde van der Waals 'binding mellem lag i en krystal, ingeniørforskere ved Tohoku University har målt det direkte. De rapporterer deres resultater i denne uge i Journal of Applied Physics .

I sit proof-of-concept, holdet skabte også mere holdbare galliumselenidkrystaller. Præstationen kunne fremme udviklingen af ​​terahertz- og spintronics -teknologier, bruges i en række applikationer fra medicinsk billeddannelse til kvantecomputere.

"Det er første gang nogen har målt van der Waals bindingskraft direkte i lagene af en krystal, "Tadao Tanabe, en af ​​forfatterne, sagde. "Selv gymnasieelever kender til denne kraft, men i krystaller var det meget svært at måle direkte. "

Selvom det betragtes som lovende for mange teknologier, brugen af ​​galliumselenidkrystaller er blevet hæmmet af, at de er notorisk skrøbelige. For at gøre dem stærkere, Tanabes hold, herunder Institut for Materialevidenskabskollega Yutaka Oyama, forestillede sig voksende krystaller med små mængder selen erstattet med det sjældne element tellur.

Forskerne formodede, at telluriums større elektronsky ville producere større van der Waals kræfter mellem krystallagene, styrkelse af den overordnede struktur. Van der Waals er svage elektriske kræfter, der tiltrækker atomer til hinanden gennem subtile skift i atomets elektronkonfigurationer.

Holdet voksede og sammenlignede tre forskellige typer krystaller:et rent galliumselenid, en med 0,6 procent tellur og en med 10,6 procent tellur. For at teste virkningen på telluriet på mellemlagsbinding, teamet opfandt ækvivalent med en krystal sandwich -åbner. Deres system er i stand til at måle med udsøgte detaljer trækstyrken, den kraft, der kræves for at trække krystallen, indtil den går i stykker.

"Trækprøvningssystemet er meget enkelt på nogle måder, "Tanabe sagde." Men det var meget svært at udvikle en måde at identificere det nøjagtige punkt, hvor krystallen gik i stykker. "

De testede krystaller var ca. 3 millimeter i bredden, og kun 1/5 millimeter tyk, cirka halvdelen af ​​tykkelsen af ​​et stykke standardprinterpapir. Hver krystal består af hundredvis af individuelle lag.

Teamet brugte specielt dobbeltsidet tape på hver side af en krystal til at holde det mellem et forankret stadium og et bevægeligt, der langsomt kunne trækkes væk, med en hastighed på 50 milliontedele af en meter i sekundet. "Dette gjorde det muligt for os meget nøjagtigt at måle den mellemlagskraft, hvormed krystallen brød, "Sagde Tanabe.

Forskerne fandt ud af, at mellemlaget van der Waals-binding i de tellur-dopede krystaller var syv gange stærkere end i rene galliumselenidkrystaller.

Med tilsætning af tellur, den bløde og spaltelige galliumselenidkrystal bliver stiv ved forbedring af van der Waals bindingskraft, forfatterne rapporterer, baner vejen for at bruge dette system til at forbedre krystalbaserede teknologier.