Kæmpe elektronisk ledningsevneændring drevet af kunstig omskiftning af krystaldimensionalitet

De elektroniske egenskaber af faste materialer er meget afhængige af krystalstrukturer og deres dimensionaliteter (dvs. om krystallerne overvejende har 2D- eller 3D-strukturer). Som professor Takayoshi Katase fra Tokyo Institute of Technology bemærker, dette faktum har en vigtig konsekvens:"Hvis krystalstrukturens dimensionalitet kan skiftes reversibelt i det samme materiale, en drastisk ejendomsændring kan være kontrollerbar." Denne indsigt førte professor Katase og hans forskerhold ved Tokyo Institute of Technology, i samarbejde med samarbejdspartnere ved Osaka University og National Institute for Materials Science, at gå i gang med forskning i muligheden for at ændre krystalstrukturens dimensionalitet af en bly-tin-selenid-legering halvleder. Deres resultater vises i et papir offentliggjort i et nyligt nummer af det peer-reviewede tidsskrift Videnskabens fremskridt .

Bly-tin-selenid-legeringen, (Pb _1-x Sn _x )Se er et passende fokus for sådan forskning, fordi blyionerne (Pb ²⁺ ) og tinioner (Sn ²⁺ ) favoriserer distinkte krystaldimensionaliteter. Specifikt, rent blyselenid (PbSe) har en 3D-krystalstruktur, hvorimod rent tinselenid (SnSe) har en 2D-krystalstruktur. SnSe har båndgab på 1,1 eV, svarende til den konventionelle halvleder Si. I mellemtiden PbSe har et smalt båndgab på 0,3 eV og viser 1 størrelsesorden højere bærermobilitet end SnSe. I særdeleshed, 3D (Pb _1-x Sn _x )Se har fået stor opmærksomhed som topologisk isolator. Det er, substitutionen for Pb med Sn i 3D PbSe reducerer båndgabet og frembringer til sidst en mellemrumsfri Dirac-lignende tilstand. Derfor, hvis disse krystalstrukturdimensionalitet kan skiftes af eksterne spændinger såsom temperatur, det ville føre til en kæmpe funktionel faseovergang, såsom stor elektronisk ledningsevneændring og topologisk tilstandsovergang, forstærket af de distinkte elektroniske strukturændringer.

Den legerende PbSe og SnSe ville manipulere den drastiske overgang i struktur, og sådan (Pb _1-x Sn _x )Se-legering bør fremkalde stærk frustration omkring fasegrænser. Imidlertid, der er ingen direkte fasegrænse mellem 3D PbSe og 2D SnSe faserne under termisk ligevægt. Gennem deres eksperimenter, Prof. Katase og hans forskerhold udviklede med succes en metode til at dyrke de ikke-ligevægtige bly-tin-selenid-legeringskrystaller med lige store mængder Pb ²⁺ og Sn ²⁺ ioner (dvs. (Pb _0,5 Sn _0,5 )Se), der gennemgik direkte strukturelle faseovergange mellem 2D- og 3D-former baseret på temperatur. Ved lavere temperaturer, 2D-krystalstrukturen dominerede, hvorimod ved højere temperaturer, 3D-strukturen dominerede. Lavtemperatur 2D krystalstrukturen var mere modstandsdygtig over for elektrisk strøm end højtemperatur 3D krystal var, og da legeringen blev opvarmet, dens resistivitetsniveauer tog et skarpt dyk omkring de temperaturer, hvor dimensionalitetsfaseovergangen fandt sted. Den nuværende strategi letter omskiftning af forskellig strukturdimensionalitet og yderligere funktionel egenskabsomskiftning i halvledere ved brug af kunstig fasegrænse.

Ialt, forskerholdet udviklede en form for halvlederlegeringen (Pb _1-x Sn _x )Se, der gennemgår temperaturafhængige krystaldimensionalitetsfaseovergange, og disse overgange har store konsekvenser for legeringens elektroniske egenskaber. Da han blev spurgt om vigtigheden af ​​hans teams arbejde, Prof. Katase bemærker, at denne form for (Pb _1-x Sn _x )Se-legering kan "tjene som en platform for grundlæggende videnskabelige undersøgelser såvel som udvikling af nye funktioner i halvlederteknologier." Denne specialiserede legering kan, derfor, føre til spændende nye halvlederteknologier med utallige fordele for menneskeheden.