Nyt materiale deler mange af grafenernes usædvanlige egenskaber

grafen, et enkelt-atom-tykt lag kulstof, har affødt megen forskning i sin unikke elektroniske, optiske og mekaniske egenskaber. Nu, forskere ved MIT har fundet en anden forbindelse, der deler mange af grafens usædvanlige egenskaber - og i nogle tilfælde har interessante komplementære egenskaber til dette meget bebudede materiale.

Materialet, en tynd hinde af vismut-antimon, kan have en række forskellige kontrollerbare egenskaber, fandt forskerne, afhængigt af den omgivende temperatur og tryk, materialets tykkelse og orienteringen af ​​dets vækst. Forskningen, udført af materialevidenskab og ingeniør-ph.d.-kandidat Shuang Tang og institutprofessor Mildred Dresselhaus, optræder i journalen Nano bogstaver .

Ligesom grafen, det nye materiale har elektroniske egenskaber, der er kendt som todimensionelle Dirac-kegler, et udtryk, der refererer til den kegleformede graf, der plotter energi kontra momentum for elektroner, der bevæger sig gennem materialet. Disse usædvanlige egenskaber - som gør det muligt for elektroner at bevæge sig på en anden måde, end det er muligt i de fleste materialer - kan give vismut-antimon-filmene egenskaber, der er yderst ønskelige til applikationer til fremstilling af næste generations elektroniske chips eller termoelektriske generatorer og kølere.

I sådanne materialer, Tang siger, elektroner "kan rejse som en lysstråle, ” potentielt muliggør nye chips med meget hurtigere beregningsevner. Elektronstrømmen kan i nogle tilfælde være hundredvis af gange hurtigere end i konventionelle siliciumchips, han siger.

Tilsvarende i en termoelektrisk applikation - hvor en temperaturforskel mellem to sider af en enhed skaber en strøm af elektrisk strøm - den meget hurtigere bevægelse af elektroner, kombineret med stærke varmeisolerende egenskaber, kunne muliggøre en meget mere effektiv elproduktion. Dette kan vise sig at være nyttigt til at drive satellitter ved at udnytte temperaturforskellen mellem deres solbeskinnede og skyggefulde sider, siger Tang.

Sådanne ansøgninger forbliver spekulative på dette tidspunkt, Dresselhaus siger, fordi der er behov for yderligere forskning for at analysere yderligere egenskaber og til sidst for at teste prøver af materialet. Denne indledende analyse var for det meste baseret på teoretisk modellering af vismut-antimonfilmens egenskaber.

Indtil denne analyse blev udført, Dresselhaus siger, "Vi har aldrig tænkt på bismuth" som havende potentialet for Dirac-kegleegenskaber. Men nylige uventede fund, der involverer en klasse af materialer kaldet topologiske isolatorer, antydede noget andet:Eksperimenter udført af en ukrainsk samarbejdspartner antydede, at Dirac-kegleegenskaber kunne være mulige i vismut-antimonfilm.

Selvom det viser sig, at de tynde film af bismuth-antimon kan have nogle egenskaber, der ligner grafens, ændring af betingelserne gør det også muligt at realisere en række andre egenskaber. Det åbner mulighed for at designe elektroniske enheder lavet af samme materiale med varierende egenskaber, aflejret et lag ovenpå et andet, i stedet for lag af forskellige materialer.

Materialets usædvanlige egenskaber kan variere fra den ene retning til den anden:Elektroner, der bevæger sig i én retning, kan følge den klassiske mekaniks love, for eksempel, mens de, der bevæger sig i en vinkelret retning, adlyder relativistisk fysik. Dette kunne gøre det muligt for enheder at teste relativistisk fysik på en billigere og enklere måde end eksisterende systemer, Tang siger, selvom dette stadig mangler at blive vist gennem eksperimenter.

"Ingen har lavet nogen enheder endnu" fra det nye materiale, Dresselhaus advarer, men tilføjer, at principperne er klare, og at den nødvendige analyse bør tage mindre end et år at gennemføre.

"Alt kan ske, vi ved det virkelig ikke, ” siger Dresselhaus. Sådanne detaljer mangler at blive udbedret, hun siger, tilføjer:"Der er mange mysterier tilbage, før vi har en rigtig enhed."

Joseph Heremans, en professor i fysik ved Ohio State University, som ikke var involveret i denne forskning, siger, at mens nogle usædvanlige egenskaber ved vismut har været kendt i lang tid, "Det, der er overraskende, er rigdommen i systemet beregnet af Tang og Dresselhaus. Skønheden ved denne forudsigelse forstærkes yderligere af det faktum, at systemet eksperimentelt er ret tilgængeligt."

Heremans tilføjer, at i yderligere forskning om egenskaberne af vismut-antimon-materialet, "der vil være vanskeligheder, og nogle få er allerede kendt, " men han siger, at egenskaberne er tilstrækkelig interessante og lovende til, at "denne artikel bør stimulere en stor eksperimentel indsats."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.