Dreidel-lignende dislokationer fører til bemærkelsesværdige egenskaber

(Phys.org) – En ny materialestruktur forudsagt på Rice University tilbyder den fristende mulighed for en signalvej, der er mindre end nanotrådene til avanceret elektronik, der nu er under udvikling hos Rice og andre steder.

Teoretisk fysiker Boris Yakobson og postdoc Xiaolong Zou undersøgte egenskaberne på atomare skala af todimensionelle materialer, da de til deres overraskelse fandt ud af, at en bestemt formation, en korngrænse i metaldisulfider, skaber en metallisk – og derfor ledende – bane kun en brøkdel af en nanometer bred.

Det er dybest set bredden af ​​en kæde af atomer, sagde Yakobson.

Opdagelsen rapporterede i denne uge i tidsskriftet American Chemical Society Nano bogstaver udsprang af en undersøgelse af, hvordan atomer energisk forholder sig til hinanden og danner topologiske defekter i todimensionelle halvledere. I det seneste arbejde, Yakobsons gruppe har analyseret defekter i grafen, det enkeltatomede kulstofark, der er under intens undersøgelse af laboratorier rundt om i verden.

Men flad grafen har ingen båndgab; elektroner strømmer lige igennem. "Der er en stor indsats for at åbne et hul i grafen, men det er ikke nemt, " sagde Yakobson, Rice's Karl F. Hasselmann professor i maskinteknik og materialevidenskab og professor i kemi. "Folk prøver forskellige måder, men ingen af ​​dem er ligetil. Dette motiverede søgen efter andre todimensionelle materialer."

Molybdæn/svovl (eller wolfram/svovl) materialer er ved at blive interessante for forskere, fordi de har et nyttigt naturligt båndgab, omkring to elektronvolt ved molybdæn/svovl. Og selvom de teknisk set er todimensionelle materialer, energierne på spil tvinger deres atomer ind i et forskudt arrangement.

"Det er mere komplekst end grafen, " sagde Yakobson. "Der er et lag metal i midten, med svovlatomer over og under, men de er fuldt forbundet med kovalente bindinger i et bikagegitter, så det er én sammensætning."

Kemisk dampaflejring bruges typisk til at dyrke sådant materiale; under høje temperaturer falder atomerne (som kulstof for grafen) på linje og danner ark. Men når to sådanne blomster dukker op, og de mødes, de står ikke nødvendigvis på linje. Hvor de smelter sammen, de danner det, der kaldes "korngrænser, " beslægtet med korn i træ, der samler sig i akavede vinkler. (Tænk på en gren, der møder en træstamme.) Disse korngrænser påvirker det sammensmeltede materiales elektriske egenskaber.

Zou beregnede disse egenskaber baseret på grundstoffernes atomare energier. Når man ser på de elementære bindinger, forskerne fandt de forventede "dislokationer", hvor energierne tvinger atomer ud af deres regulære mønstre. "Hvor arkene mødes, de kan ikke have en ideel gitterstruktur, så de har disse sting, dislokationerne. Hver korngrænse er kun en række af disse dislokationer, " sagde Yakobson.

Det var kun tilfældigt, at forskydningerne fik dreidel-lignende former for et papir udgivet under Hanukkah, han sagde.

"Vi fandt orden i denne kompleksitet og kaos, de nøjagtige strukturer, der er mulige ved korngrænserne og dislokationstyperne, " han sagde.

De voksende molybdæn/svovlplader kan mødes i enhver vinkel, og selvom pladerne er halvledende, grænserne mellem dem stopper generelt elektriske signaler i deres spor. But at one particular angle—60 degrees—the periodic dislocations are close enough to pass signals on from one to the next along the length of the boundary. "I bund og grund, they're metallic in this direction, " sagde Yakobson.

"So in the middle of these domains of semiconducting material, you have this boundary line that carries current in one direction, like a wire. And it's only a few angstroms wide, " han sagde.

"Metal disulfides may be promising for future electronic devices based on materials with reduced dimensions, " Zou said. "It is important to understand the effects of topological defects on the electronic properties as we push toward post-silicon devices."