Nyt materiale har den højeste elektronmobilitet blandt kendte lagdelte magnetiske materialer

Alle elementerne er der til at begynde med, så at sige; det er bare et spørgsmål om at finde ud af, hvad de er i stand til – alene eller sammen. Til Leslie Schoops laboratorium, en nylig sådan undersøgelse har afsløret en lagdelt forbindelse med en trio af egenskaber, der ikke tidligere er kendt for at eksistere i ét materiale.

Med et internationalt tværfagligt team, Schoop, adjunkt i kemi, og postdoc-forsker Shiming Lei, udgav et papir i sidste uge i Videnskabens fremskridt rapporterer, at van der Waals-materialet gadolinium tritelluride (GdTe3) viser den højeste elektroniske mobilitet blandt alle kendte lagdelte magnetiske materialer. Ud over, den har magnetisk orden, og kan nemt eksfolieres.

Kombineret, disse egenskaber gør det til en lovende kandidat til nye områder som magnetiske twistroniske enheder og spintronik, samt fremskridt inden for datalagring og enhedsdesign.

Schoop-teamet afslørede oprindeligt disse unikke egenskaber i begyndelsen af ​​2018 kort efter projektets begyndelse. Deres første succes var at demonstrere, at GdTe3 er let eksfolierbar ned til ultratynde flager under 10nm. Efterfølgende holdet brugte to år på at forfine renheden af ​​de materielle krystaller til en tilstand, der kun tjente til at forstærke resultaterne. Laboratoriet har allerede sendt en række prøver til forskere, der er ivrige efter at undersøge, hvordan forbindelsen passer ind i en kategori, der tidligere kun var optaget af sort fosfor og grafit. Høj mobilitet er sjælden i lagdelte materialer.

Egenskaberne beskrevet i undersøgelsen, beskrevet som kvanteoscillationer eller "vrikker", der kan måles, er så udtalte, at de blev observeret uden de specielle sonder og udstyr, der almindeligvis findes i nationale laboratorier.

"Som regel, hvis du ser disse svingninger, det afhænger delvist af kvaliteten af ​​din prøve. Vi satte os virkelig ned og lavede de bedst mulige krystaller. I løbet af to år forbedrede vi kvaliteten, så disse svingninger blev mere og mere dramatiske, " sagde Schoop. "Men de første prøver viste dem allerede, Selvom vi med de første krystaller voksede, vidste vi ikke præcis, hvad vi lavede, sagde Schoop.

"Det var meget spændende for os. Vi så disse resultater af meget mobile elektroner i dette materiale, som vi ikke havde forventet. Selvfølgelig håbede vi på gode resultater. Men jeg forventede ikke, at det ville blive så dramatisk, " tilføjede Schoop.

Lei karakteriserede nyheden som et "gennembrud", hovedsagelig på grund af den høje mobilitet. "At tilføje dette materiale til zoo af 2-D van der Waals materialer er som at tilføje en nyopdaget ingrediens til madlavning, som giver mulighed for nye smagsvarianter og retter, " han sagde.

"Så først, du får disse materialer ud. Den næste ting er at identificere potentialet:hvad er funktionen af ​​den enhed, du kan lave ud fra den? Hvad er den ydeevne, vi kan forbedre yderligere som en næste generation af materialer på denne linje?"

Et sjældent jordart tritellurid, GdTe3 har en mobilitet over 60, 000 cm2V-1s-1. Dette betyder, at hvis et felt på en volt pr. cm påføres materialet, elektronerne bevæger sig med en nettohastighed på 60, 000 cm i sekundet. At sammenligne, mobiliteter i andre magnetiske materialer viser sig ofte kun at være nogle få hundrede cm2V-1s-1.

"Høj mobilitet er vigtigt, fordi det betyder, at elektroner inde i materialerne er i stand til at rejse med høje hastigheder med minimal spredning, dermed reducere varmeafgivelsen af ​​elektroniske enheder, der er bygget af det, " sagde Lei.

Van der Waals materialer - hvori lagene er bundet af en svag kraft - er moderforbindelserne til 2-D materialer. Forskere studerer dem til næste generations enhedsfabrikation og også til brug i twistronics, først beskrevet i videnskabsmiljøet for kun få år siden. Med twistronics, lagene af 2-D materialer er forkert justeret eller snoet, når de ligger oven på hinanden. Den velovervejede fejljustering af krystalgitteret kan ændre elektrisk, optiske og mekaniske egenskaber på måder, der kan give nye muligheder for applikationer.

Ud over, det blev opdaget for omkring 15 år siden, at van der Waals materialer kunne eksfolieres ned til det tyndeste lag ved at bruge noget så almindeligt som scotch tape. Denne åbenbaring begejstrede mange nye udviklinger inden for fysik. Endelig, 2-D materialer blev først for nylig afsløret for at udvise magnetisk orden, hvor elektronernes spin er rettet ind efter hinanden. Alle "tynde" enheder—harddiske, for eksempel - er baseret på materialer, der sorterer magnetisk på forskellige måder, der producerer forskellige effektiviteter.

"Vi har fundet dette materiale, hvor elektronerne skyder igennem som på en motorvej - perfekt, meget let, hurtig, " sagde Schoop. "At have denne magnetiske orden derudover og potentialet til at gå til to dimensioner er bare noget, der var unikt nyt for dette materiale."

Resultaterne af undersøgelsen er et stærkt bevis for Schoops unge laboratorium, etableret for godt to år siden. De er resultatet af et samarbejde med Princeton Center for Complex Materials, et NSF-finansieret Materials Research Science and Engineering Center, og medforfattere Nai Phuan Ong, Sanfeng Wu, og Ali Yazdani, alle fakulteter med Princetons Institut for Fysik.

For fuldt ud at forstå de elektroniske og magnetiske egenskaber af GdTe3, holdet samarbejdede også med Boston College om eksfolieringstests, og Argonne National Laboratory og Max Planck Institute for Solid State Research for at forstå den elektroniske struktur af materialet ved hjælp af synkrotonstråling.

Fra et bredere perspektiv, Det, der tilfredsstillede Schoop mest ved undersøgelsen, var den "kemiske intuition", der førte til, at holdet begyndte undersøgelsen med GdTe3 i første omgang. De havde mistanke om, at der ville være lovende resultater. Men det faktum, at GdTe3 gav dem så hurtigt og eftertrykkeligt, er et tegn, sagde Schoop, at kemi har væsentlige bidrag at yde til faststoffysikkens felt.

"Vi er en gruppe i kemiafdelingen, og vi fandt ud af, at dette materiale skulle være af interesse for meget mobile elektroner baseret på kemiske principper, " sagde Schoop. "Vi tænkte på, hvordan atomerne var arrangeret i disse krystaller, og hvordan de skulle bindes til hinanden, og ikke baseret på fysiske midler, som ofte er at forstå elektronernes energi baseret på Hamiltonianere.

"Men vi tog en meget anderledes tilgang, meget mere relateret til at tegne billeder, ligesom kemikere gør, relateret til orbitaler og sådan noget, " sagde hun. "Og vi havde succes med denne tilgang. Det er bare sådan en unik og anderledes tilgang til at tænke på spændende materialer."