Penn-forskere blandt de første til at dyrke alsidigt 2-D-materiale wolfram ditelluride

University of Pennsylvania forskere er nu blandt de første til at producere en enkelt, tre-atom-tykt lag af et unikt todimensionelt materiale kaldet wolfram-ditellurid. Deres resultater er blevet offentliggjort i 2-D materialer .

I modsætning til andre todimensionelle materialer, videnskabsmænd mener, at wolframditellurid har det, der kaldes topologiske elektroniske tilstande. Det betyder, at den kan have mange forskellige egenskaber, ikke kun én.

Når man tænker på todimensionelle materialer, grafen er nok det første, der kommer til at tænke på.

De tætpakkede, atomisk tynde plade af kulstof, der først blev produceret i 2004, har inspireret utallige forskningsmuligheder, der kan revolutionere alt fra teknologi til drikkevand.

En af de vigtigste egenskaber ved grafen er, at det er det, der kaldes en nulbåndgap-halvleder, idet den kan opføre sig som både et metal og en halvleder.

Men der er tonsvis af andre egenskaber, som 2-D materialer kan have. Nogle kan isolere, andre kan udsende lys og atter andre kan være spintroniske, hvilket betyder, at de har magnetiske egenskaber.

"Grafen er bare grafen, " sagde A.T. Charlie Johnson, en fysikprofessor ved Penn's School of Arts &Sciences. "Det gør bare, hvad grafen gør. Hvis du vil have fungerende systemer, der er baseret på 2-D materialer, så vil du have 2-D materialer, der har alle de forskellige fysiske egenskaber, som vi kender til."

2-D-materialers evne til at have topologiske elektroniske tilstande er et fænomen, som blev udviklet af Charles Kane, Christopher H. Browne Distinguished Professor of Physics ved Penn.

I denne nye forskning, Johnson, fysikprofessor James Kikkawa og kandidatstuderende Carl Naylor og William Parkin var i stand til at producere og måle egenskaberne af et enkelt lag wolframditellurid.

"Fordi wolfram ditellurid er tre atomer tykt, atomerne kan arrangeres på forskellige måder, "Johnson sagde. "Disse tre atomer kan antage lidt forskellige konfigurationer i forhold til hinanden. En konfiguration forventes at give disse topologiske egenskaber."

Marija Drndi?, Fay R. og Eugene L. Langberg professor i fysik; Andrew Rappe, Blanchard-professor i kemi og professor i materialevidenskab og ingeniørvidenskab ved School of Engineering and Applied Science, og Robert Carpick, John Henry Towne professor og formand for Institut for Mekanisk Teknik og Anvendt Mekanik, også bidraget til forskningen.

"Det er i høj grad et Penn-produkt, " sagde Johnson. "Vi samarbejder med flere andre fakultetsmedlemmer, som undersøger materialet på deres egne måder, og vi samlede det hele for at lægge et papir derude. Alle kommer med på turen."

Forskerne var i stand til at dyrke dette materiale ved hjælp af en proces kaldet kemisk dampaflejring. Ved hjælp af en varmerørsovn, de opvarmede en chip indeholdende wolfram til den rigtige temperatur og indførte derefter en damp indeholdende tellur.

"Gennem held og lykke og at finde de helt rigtige forhold, disse grundstoffer vil reagere kemisk og kombineres for at danne et monolag, eller tre atom-tykke områder af dette materiale, " sagde Johnson.

Selvom dette materiale nedbrydes ekstremt hurtigt i luft, Naylor, avisens første forfatter, fundet ud af måder at beskytte materialet på, så det kunne studeres, inden det blev ødelagt.

En ting forskerne fandt er, at materialet vokser i små rektangulære krystallitter, i stedet for de trekanter, som andre materialer vokser i.

"Dette afspejler den rektangulære symmetri i materialet, "Johnson sagde. "De har en anden struktur, så de har tendens til at vokse i forskellige former."

Selvom forskningen stadig er i startfasen, og forskerne endnu ikke har været i stand til at producere en kontinuerlig film, de håber at udføre eksperimenter for at vise, at det har de topologiske elektroniske egenskaber, som er forudsagt.

En egenskab ved disse topologiske systemer er, at enhver strøm, der bevæger sig gennem materialet, kun vil blive ført på kanterne, og ingen strøm ville bevæge sig gennem midten af ​​materialet. Hvis forskere var i stand til at producere enkeltlags tykke materialer med denne egenskab, de kan muligvis sende et elektrisk signal til forskellige steder.

Dette materiales evne til at have flere egenskaber kan også have implikationer i kvanteberegning, som udnytter kraften i atomer og subatomære fænomener til at udføre beregninger væsentligt hurtigere end nuværende computere. Disse 2-D materialer kan muliggøre en iboende fejltolerant form for kvanteberegning kaldet topologisk beskyttet kvanteberegning, som kræver både halvledende og superledende materialer.

"Med disse 2-D materialer, du ønsker at realisere så mange fysiske egenskaber som muligt, "Johnson sagde. "Topologiske elektroniske tilstande er interessante, og de er nye, og så mange mennesker har forsøgt at realisere dem i et 2-D-materiale. Vi skabte materialet, hvor disse forventes at forekomme, så i den forstand har vi bevæget os mod dette meget store mål i feltet."