Nyopdaget grafen-egenskab kan påvirke næste generations databehandling

MIT forskere og kolleger har opdaget en vigtig – og uventet – elektronisk egenskab ved grafen, et materiale, der blev opdaget for kun omkring 17 år siden, og som fortsætter med at overraske videnskabsmænd med sin interessante fysik. Arbejdet, som involverer strukturer sammensat af atomisk tynde lag af materialer, der også er biokompatible, kunne indlede nye, hurtigere informationsbehandlingsparadigmer. En potentiel anvendelse er i neuromorfisk databehandling, som har til formål at replikere de neuronale celler i kroppen, der er ansvarlige for alt fra adfærd til minder.

Arbejdet introducerer også ny fysik, som forskerne er spændte på at udforske.

"Graphene-baserede heterostrukturer fortsætter med at producere fascinerende overraskelser. Vores observation af ukonventionel ferroelektricitet i dette enkle og ultratynde system udfordrer mange af de fremherskende antagelser om ferroelektriske systemer, og det kan bane vejen for en hel generation af nye ferroelektriske materialer, " siger Pablo Jarillo-Herrero, Cecil og Ida Grønne professor i fysik ved MIT og leder af arbejdet, hvilket indebar et samarbejde med fem andre MIT-fakultet fra tre institutter.

En ny ejendom

Grafen er sammensat af et enkelt lag af kulstofatomer arrangeret i sekskanter, der ligner en bikagestruktur. Siden materialets opdagelse, videnskabsmænd har vist, at forskellige konfigurationer af grafenlag kan give anledning til en række vigtige egenskaber. Grafenbaserede strukturer kan enten være superledere, som leder elektricitet uden modstand, eller isolatorer, som forhindrer bevægelse af elektricitet. De har endda vist sig at vise magnetisme.

I det nuværende arbejde, som blev rapporteret i december sidste år i Natur , MIT-forskerne og -kollegerne viser, at tolagsgrafen også kan være ferroelektrisk. Det betyder, at positive og negative ladninger i materialet spontant kan adskilles i forskellige lag.

I de fleste materialer, modsatte ladninger tiltrækkes af hinanden; de vil kombinere. Kun anvendelsen af ​​et elektrisk felt vil tvinge dem til modsatte sider, eller stænger. I et ferroelektrisk materiale, intet eksternt elektrisk felt er nødvendigt for at holde ladningerne adskilt, giver anledning til en spontan polarisering. Imidlertid, anvendelsen af ​​et eksternt elektrisk felt har en effekt:et elektrisk felt i modsat retning vil få ladningerne til at skifte side og vende polariseringen.

Af alle disse grunde, ferroelektriske materialer bruges i en række elektroniske systemer, fra medicinsk ultralyd til RFID-kort (radio frequency identification).

Konventionel ferroelektrik, imidlertid, er isolatorer. Det MIT-ledede holds ferroelektriske materiale baseret på grafen fungerer gennem en helt anden mekanisme - forskellig fysik - der gør det muligt for det at lede elektricitet. Og det åbner op for utallige yderligere applikationer. "Det, vi har fundet her, er en ny type ferroelektrisk materiale, " siger Zhiren (Isaac) Zheng, en MIT kandidatstuderende i fysik og førsteforfatter til Nature-papiret.

Qiong Ma, MIT Ph.D. 2016, en medforfatter af papiret og en adjunkt ved Boston College, sætter arbejdet i perspektiv. "Der er udfordringer forbundet med konventionel ferroelektrik, som folk har arbejdet på at overkomme. F.eks. den ferroelektriske fase bliver ustabil, efterhånden som enheden fortsætter med at blive miniaturiseret. Med vores materiale, nogle af disse udfordringer kan blive løst automatisk." Ma udførte det nuværende arbejde som postdoc-medarbejder gennem MIT's Materials Research Laboratory (MRL).

Vigtige mønstre

Strukturen, som holdet skabte, er sammensat af to lag grafen - et dobbeltlag - indlejret mellem atomisk tynde lag af bornitrid (BN) over og under. Hvert BN-lag er i en lidt anderledes vinkel fra det andet. Ser man fra oven, resultatet er et unikt mønster kaldet et moiré supergitter. Et moiré mønster, på tur, "kan dramatisk ændre et materiales egenskaber, " siger Zheng.

Jarillo-Herreros gruppe demonstrerede et vigtigt eksempel på dette i 2018. I det arbejde også rapporteret i Natur , forskerne stablede to lag grafen. De lag, imidlertid, var ikke ligefrem oven på hinanden; hellere, den ene var let drejet i en "magisk vinkel" på 1,1 grader. Den resulterende struktur skabte et moiré-mønster, der igen gjorde det muligt for grafenen at være enten en superleder eller en isolator afhængigt af antallet af elektroner i systemet som leveret af et elektrisk felt. I bund og grund var holdet i stand til at "tune grafen til at opføre sig ved to elektriske yderpunkter, " ifølge en MIT-nyhedshistorie på det tidspunkt.

"Så ved at skabe denne moiré-struktur, grafen er ikke grafen længere. Det bliver næsten på magisk vis til noget meget, meget anderledes, " siger mor.

I det nuværende arbejde, forskerne skabte et moiré-mønster med plader af grafen og bornitrid, der har resulteret i en ny form for ferroelektricitet. Fysikken, der er involveret i elektronernes bevægelse gennem strukturen, er forskellig fra den for konventionel ferroelektrik.

"Ferroelektriciteten demonstreret af MIT-gruppen er fascinerende, " siger Philip Kim, professor i fysik og anvendt fysik ved Harvard University, som ikke var involveret i undersøgelsen.

"Dette arbejde er den første demonstration, der rapporterer ren elektronisk ferroelektricitet, som udviser ladningspolarisering uden ionisk bevægelse i det underliggende gitter. Denne overraskende opdagelse vil helt sikkert invitere til yderligere undersøgelser, der kan afsløre flere spændende nye fænomener og give mulighed for at bruge dem til ultrahurtige hukommelsesapplikationer."

Forskerne sigter mod at fortsætte arbejdet ved ikke kun at demonstrere det nye materiales potentiale til en række forskellige anvendelser, men også udvikle en bedre forståelse af dens fysik. "Der er stadig mange mysterier, som vi ikke helt forstår, og som grundlæggende er meget spændende, " siger mor.