Forskere løser kontroverser om energigabet i Van der Waals-materiale

Tidligere kontroversielle værdier af energigabet i et van der Waals-materiale - chromtribromid - blev rapporteret baseret på forskellige optiske målinger. Et fakultetsmedlem fra University of Wyoming og hans forskerhold brugte scanning tunneling mikroskopi og spektroskopi målinger, der tydeligt afslører en meget mindre energigab værdi og løste kontroversen.

"Vores resultater afgjorde en lang kontrovers om en vigtig materiel egenskab - materialets energigab, " siger TeYu Chien, en lektor i UW Institut for Fysik og Astronomi. "Vores scanningstunnelmikroskopi og spektroskopimålinger afslørede klart, at energigabet er omkring 0,3 elektronvolt (eV), som er meget mindre end dem målt ved optiske metoder, som varierede fra 1,68 til 2,1 eV."

Chien siger, at hans teams data yderligere forklarer de tidligere optiske målinger som værende overgange fra forskellige lednings- og valensbåndstræk i stedet for at detektere materialets energigab.

Van der Waals materialer er opbygget af stærkt bundne todimensionelle lag, der er bundet i den tredje dimension gennem svagere van der Waals kræfter. For eksempel, grafit er et van der Waals-materiale, der er meget udbredt i industrien i elektroder, smøremidler, fibre, varmevekslere og batterier. Karakteren af ​​van der Waals-kræfterne mellem lagene gør det muligt for forskere at bruge Scotch-tape til at skrælle lagene i atomtykkelse.

Chien er den tilsvarende forfatter til et papir, med titlen "Small Energy Gap Revealed in CrBr ₃ ved Scanning Tunneling Spectroscopy, ", der blev offentliggjort 8. december i Fysisk kemi Kemisk fysik . Papiret er blevet udvalgt til tidsskriftets "hotte artikler, "en temasamling med det hotteste værk udgivet i Fysisk kemi Kemisk fysik . Dette værk vil også blive vist på den udvendige forside af den kommende trykte udgave.

Dinesh Baral, en UW kandidatstuderende fra Nepal, var avisens hovedforfatter. Han udførte det eksperimentelle arbejde med scanning tunneling mikroskopi og spektroskopi måling, og dataanalyse. Andre forskere, der har bidraget til papiret, er adjunkt Jifa Tian, Professor Yuri Dahnovsky og Jinke Tang, en professor og afdelingsformand, alle fra UW's Institut for Fysik og Astronomi.

Kandidatstuderende involveret i forskningen omfattede Zhuangen Fu og Aaron Wang, begge fra Kina; Uppalaiah Erugu, af Indien; Rabindra Dulal og Narendra Shrestha, begge af Nepal; og Andrei Zadorozhnyi, af Rusland.

Siden den første isolerede grafen - atomisk tynd grafit - i 2004, forskellige van der Waals materialer med egenskaber af metal, halvmetal, halvleder, isolator og superleder er blevet bekræftet. De magnetiske van der Waals-materialer kom først med i grafenfamilien i 2017.

Chromtrihalogenider er en familie af de vigtigste magnetiske van der Waals-materialer og er blevet brugt til at udforske potentialet for spintroniske applikationer, hvor elektronens magnetiske moment bruges til beregning og informationslagring i stedet for at bruge elektronernes ladningsegenskaber til konventionel elektronik.

Fordi van der Waals materialer har meget svage interlag interaktioner og relativt stærkere intralag atom-til-atom binding, dette giver forskere mulighed for at skrælle dem og stable dem for enhver kombination af materialer i atomtykkelse.

"Denne skrælning af van der Waals-materialerne er som at skrælle løgskindene, men på atomniveau, " forklarer Baral.

Scanning tunneling mikroskopi og spektroskopi er et billeddannende værktøj, der er i stand til at måle atomopløsningsbilleder, sammen med de elektroniske egenskaber i den skala. Chromtribromidflager blev skrællet af bulkkrystal til atomisk tynd tykkelse og overført til et ledende substrat, såsom højt orienteret pyrolytisk grafit, for studiet.

"Forståelsen af ​​energigabet af chromtribromid løser den eksisterende kontrovers for det videnskabelige samfund, " siger Chien. "Dette er også nøglen til bedre at kontrollere spintronics-enhederne, der involverer chromtribromid."

Resultaterne af undersøgelsen vil give forskerne en bedre forståelse af dette vigtige materiale til anvendelser i spintronik og kvantematerialer, siger Chien.

"Materialer med sådanne egenskaber har potentielle anvendelser inden for teknik til at minimere størrelsen af ​​de elektroniske og spintroniske enheder mod atomniveau, " han siger.