Elektroner falder flade:Germanium falder ind i et 2-D arrangement på zirconiumdiborid

Forskere har for nylig afsløret, både teoretisk og eksperimentelt, at germanium atomer kan arrangere sig selv i et 2-D "bi-trekant" gitter på zirconium diborid tynde film dyrket på germanium enkeltkrystaller for at danne et "fladt bånd materiale" med et indlejret "kagome" gitter. Resultatet giver eksperimentel støtte til en teoretisk forudsigelse af flade bånd, der dukker op fra triviel atomgeometri og indikerer muligheden for deres eksistens i mange flere materialer.

Det menneskelige sind er naturligt tiltrukket af objekter, der besidder symmetri; faktisk, skønhedsbegrebet blandes ofte sammen med symmetri. I naturen, intet indbefatter symmetri mere end krystaller. Siden deres opdagelse, krystaller har tiltrukket sig stor opmærksomhed ikke kun på grund af deres unikke "symmetriske" æstetiske tiltrækningskraft, men også på grund af deres unikke egenskaber. En af disse egenskaber er opførsel af elektroner inde i en krystal. Fra et fysisk synspunkt, en elektron i en krystal kan karakteriseres fuldt ud af dens energi og en mængde kaldet "krystalmomentum, " som relaterer sig til, hvor hurtigt elektronen bevæger sig i en krystal. Forholdet mellem elektronernes energi og krystalmomentum er, hvad forskerne omtaler som "båndstruktur, " hvilken, enkelt sagt, er de tilladte energiniveauer for elektronerne i krystallen.

For nylig, materialeforskere har rettet deres opmærksomhed mod det, der kaldes "fladbåndsmaterialer" - en klasse af materialer, der besidder en båndstruktur, hvor energien ikke varierer med krystalmomentet og derfor ligner en flad linje, når det plottes som en funktion af krystalmomentum - på grund af deres evne til at give anledning til eksotiske tilstande af stof, såsom ferromagnetisme (jernlignende spontan magnetisme) og superledningsevne (nul modstand mod elektricitetsflow). Generelt, disse "flade bånd" observeres i specielle 2-D strukturer, der går under navne som "skakternet gitter, " "terninger gitter, " "kagome gitter, " osv. og observeres typisk enten i krystallen eller på overfladen af ​​lagdelte materialer. Et relevant spørgsmål melder sig således - er det muligt at indlejre sådanne gitter i helt nye 2-D strukturer? Bestræbelserne på at designe 2-D materialer har fokuseret ved at besvare dette spørgsmål, og et nyligt fund tyder på, at svaret er et "ja".

Nu, i en undersøgelse offentliggjort i Fysisk gennemgang B som en hurtig kommunikation, et internationalt hold af forskere fra Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST), universitetet i Tokyo, det japanske atomenergiagentur, og Institut for Molekylær Videnskab i Japan og Tamkang University i Taiwan, ledet af Dr. Antoine Fleurence og Prof. Yukiko Yamada-Takamura, har rapporteret et muligt nyt fladbåndsmateriale opnået fra germanium (Ge) atomer, der arrangerer sig selv i et 2-D to-trekant gitter på zirconiumdiborid tynde film dyrket på germanium enkeltkrystaller. Mens holdet allerede havde dyrket dette 2D-materiale for år siden, de var først for nylig i stand til at afsløre dens struktur.

Sidste år, en del af teamet udgav et teoretisk papir i samme tidsskrift, der understregede de betingelser, hvorunder et 2-D to-trekant gitter kan danne et fladt bånd. De fandt ud af, at dette er relateret til et "kagome" (betyder vævet kurvmønster på japansk) gitter - et begreb, der oprindeligt blev opfundet af japanske fysikere i 50'erne for at studere magnetisme. "Jeg var virkelig begejstret, da jeg fandt ud af, at den elektroniske struktur af kagome gitter kan indlejres i en meget anderledes udseende 2-D struktur, " husker Prof. Chi-Cheng Lee, en fysiker ved Tamkang University, Taiwan, involveret i undersøgelsen, som forudsagde tilstedeværelsen af ​​flade bånd i det "bitriangulære" gitter.

Forudsigelsen blev endelig bekræftet efter holdet, i deres nuværende studie, karakteriseret det forberedte 2-D materiale ved hjælp af forskellige teknikker såsom scanning tunneling mikroskopi, positron diffraktion, og kerneniveau og vinkelopløst fotoelektronemission; og bakkede op om de eksperimentelle data med teoretiske beregninger for at afsløre det underliggende to-trekantede gitter.

"Resultatet er virkelig spændende, da det viser, at flade bånd kan dukke op selv fra trivielle strukturer og muligvis kan realiseres i mange flere materialer. Vores næste skridt er at se, hvad der sker ved lav temperatur, og hvordan det er relateret til de flade bånd i Ge bi-triangulære gitter, " siger Dr. Fleurence, som også er den første forfatter til dette papir.

Ja, hvem ville have troet, at en typisk, En helt ny halvleder som germanium kunne tilbyde så eksotiske og hidtil usete muligheder? 2D-verdenen har måske flere overraskelser i ærmet, end vi forestiller os.