Fysikere fremskynder jagten på revolutionære kunstige atomare materialer

Forskere ved University of Bath har taget et vigtigt skridt i retning af at forstå samspillet mellem lag af atomisk tynde materialer arrangeret i stakke. De håber, at deres forskning vil fremskynde opdagelsen af ​​nye, kunstige materialer, fører til design af elektroniske komponenter, der er langt mindre og mere effektive end noget, der er kendt i dag.

Mindre er altid bedre i verden af ​​elektroniske kredsløb, men der er en grænse for, hvor langt du kan krympe en siliciumkomponent, uden at den overophedes og falder fra hinanden, og vi er tæt på at nå det. Forskerne undersøger en gruppe af atomisk tynde materialer, der kan samles i stakke. Egenskaberne for ethvert slutmateriale afhænger både af valget af råmaterialer og af den vinkel, hvor et lag er anbragt oven på et andet.

Dr. Marcin Mucha-Kruczynski, der ledede forskningen fra Institut for Fysik, sagde:"Vi har fundet en måde at bestemme, hvor stærkt atomer i forskellige lag af en stak er koblet til hinanden, og vi har demonstreret anvendelsen af ​​vores idé på en struktur lavet af grafenlag."

The Bath forskning, udgivet i Naturkommunikation , er baseret på tidligere arbejde med grafen - en krystal karakteriseret ved tynde plader af kulstofatomer arrangeret i et honeycomb-design. I 2018, forskere ved Massachusetts Institute of Technology (MIT) fandt ud af, at når to lag grafen stables og derefter snoes i forhold til hinanden med den 'magiske' vinkel på 1,1°, de producerer et materiale med superledende egenskaber. Dette var første gang, forskerne havde skabt et superledende materiale udelukkende lavet af kulstof. Imidlertid, disse egenskaber forsvandt med den mindste ændring af vinkel mellem de to lag af grafen.

Siden MIT opdagelsen, videnskabsmænd over hele verden har forsøgt at anvende dette 'stabling og vridning'-fænomen på andre ultratynde materialer, at placere to eller flere atomare forskellige strukturer sammen i håbet om at danne helt nye materialer med særlige kvaliteter.

"I naturen, du kan ikke finde materialer, hvor hvert atomlag er forskelligt, " sagde Dr. Mucha-Kruczynski. "Hvad mere er, to materialer kan normalt kun sættes sammen på én bestemt måde, fordi der skal dannes kemiske bindinger mellem lagene. Men for materialer som grafen, kun de kemiske bindinger mellem atomer på samme plan er stærke. Kræfterne mellem fly - kendt som van der Waals interaktioner - er svage, og dette gør det muligt for lag af materiale at blive snoet i forhold til hinanden."

Udfordringen for videnskabsmænd nu er at gøre processen med at opdage nye, lagdelte materialer så effektive som muligt. Ved at finde en formel, der giver dem mulighed for at forudsige resultatet, når to eller flere materialer er stablet, de vil være i stand til at strømline deres forskning enormt.

Det er i dette område, at Dr. Mucha-Kruczynski og hans samarbejdspartnere ved University of Oxford, Peking University og ELETTRA Synchrotron i Italien forventer at gøre en forskel.

"Antallet af kombinationer af materialer og antallet af vinkler, de kan drejes i, er for stort til at prøve i laboratoriet, så det vi kan forudsige er vigtigt, " sagde Dr. Mucha-Kruczynski.

Forskerne har vist, at samspillet mellem to lag kan bestemmes ved at studere en tre-lags struktur, hvor to lag er samlet, som man måske finder i naturen, mens den tredje er snoet. De brugte vinkelopløst fotoemissionsspektroskopi - en proces, hvor kraftigt lys udstøder elektroner fra prøven, så energien og momentum fra elektronerne kan måles, giver således indsigt i materialets egenskaber - for at bestemme, hvor stærkt to carbonatomer i en given afstand fra hinanden er koblet. De har også vist, at deres resultat kan bruges til at forudsige egenskaber af andre stakke lavet af de samme lag, også selvom drejningerne mellem lagene er forskellige.

Listen over kendte atomisk tynde materialer som grafen vokser hele tiden. Det inkluderer allerede snesevis af poster, der viser en bred vifte af egenskaber, fra isolering til superledning, gennemsigtighed for optisk aktivitet, skørhed til fleksibilitet. Den seneste opdagelse giver en metode til eksperimentelt at bestemme interaktionen mellem lag af et hvilket som helst af disse materialer. Dette er vigtigt for at forudsige egenskaberne af mere komplicerede stakke og for det effektive design af nye enheder.

Dr. Mucha-Kruczynski mener, at der kan gå 10 år, før nye stablede og snoede materialer finder en praktisk, daglig anvendelse. "Det tog et årti for grafen at flytte fra laboratoriet til noget nyttigt i sædvanlig forstand, så med et strejf af optimisme, Jeg forventer, at en lignende tidslinje gælder for nye materialer, " han sagde.

Med udgangspunkt i resultaterne af hans seneste undersøgelse, Dr. Mucha-Kruczynski og hans team fokuserer nu på snoede stakke lavet af lag af overgangsmetal dichalcogenider (en stor gruppe materialer med to meget forskellige typer atomer - et metal og et chalcogen, såsom svovl). Nogle af disse stakke har vist fascinerende elektronisk adfærd, som forskerne endnu ikke er i stand til at forklare.

"Fordi vi har at gøre med to radikalt forskellige materialer, at studere disse stakke er kompliceret, " forklarede Dr. Mucha-Kruczynski. "Men, vi håber på, at vi med tiden vil være i stand til at forudsige egenskaberne af forskellige stakke, og design nye multifunktionelle materialer."