Forskere opnår ladningsrækkefølge-forbedret kapacitans i halvledermoiré-supergitter

I de seneste år, elektronikingeniører har eksperimenteret med nye materialer, der kunne bruges til at studere elektroniske korrelationsfænomener. Van der Waals (vdW) moiré-materialer er særligt lovende til at undersøge disse fænomener. VdW-materialer er sammensat af stærkt bundne todimensionelle (2D) lag, der er bundet i den tredje dimension gennem svagere spredningskræfter.

Udtrykket moiré, på den anden side, refererer til et specifikt mønster, der produceres, når et uigennemsigtigt mønster med mellemrum placeres på et lignende mønster. Undersøgelser har for nylig afsløret robuste og korrelerede isoleringstilstande ved både heltals- og fraktionsfyldningsfaktorer af halvledende materialer med et moiré-mønster.

Forskere ved Cornell University og National Institute for Materials Science i Japan har for nylig udført en undersøgelse, der udforsker de termodynamiske egenskaber af disse robuste korrelerede tilstande. Deres papir, udgivet i Natur nanoteknologi , i sidste ende viste, at kapacitans (dvs. et systems evne til at lagre elektrisk ladning) kan spille en nøglerolle ved sondering af korrelerede tilstande af halvledermoirématerialer.

Denne nylige undersøgelse var delvist baseret på en tidligere forskningsindsats fra det samme hold, som afslørede tilstedeværelsen af ​​en overflod af elektronkrystaller i halvledermoiré-materialer. Et af hovedformålene med holdets nye undersøgelse var at bedre forstå disse elektronkrystaltilstande ved at indsamle termodynamiske målinger.

"Vores undersøgelse henter også inspiration fra teoretiske beregninger af vores ven Veit Elser, som er medforfatter til avisen, "Kære Fai Mak, en af ​​de forskere, der har udført undersøgelsen, fortalte TechXplore. "Veit beregnede kapacitansen for en parallelpladekondensator, der har prøven som én plade og en metallisk gate som en anden plade."

Typisk, kapacitansen af ​​en parallelpladekondensator som den, Elser undersøgte, ville kun blive defineret af dens geometri (f.eks. afstanden mellem de to plader). Overraskende nok, imidlertid, hans beregninger antydede, at kapacitansen, når prøvepladen er i en faseblanding af elektronkrystaller, faktisk kunne være uendelig.

"Det her kan blive stort, da det markant kan forbedre enhedens evne til at opbevare opladning, " sagde Mak.

For at teste denne idé eksperimentelt, Mak og hans kolleger målte kapacitansen af ​​en parallel kondensator, der har prøven af ​​interesse (dvs. moiréprøven) som en plade og en tynd metalplade som den anden plade.

"De to plader blev adskilt af en eksperimentelt variabel afstand, " sagde Mak. "Kapacitansen er tæt forbundet med den elektroniske kompressibilitet (en termodynamisk størrelse) af prøven, som er et mål for, hvor komprimerbare elektronerne er, når de udsættes for et eksternt elektrisk felt."

Holdet målte omhyggeligt, hvor komprimerbare elektronerne i deres prøve var, når de blev udsat for et eksternt elektrisk felt som funktion af elektrondensitet og temperatur. Dette gjorde det muligt for dem at udlede to yderligere termodynamiske målinger (dvs. den elektroniske entropi og specifikke varmekapacitet) fra de eksisterende data, ved hjælp af kendte og etablerede regler for termodynamiske relationer.

"En af de vigtigste resultater af vores undersøgelse var en signifikant forbedring af den målte kapacitans sammenlignet med den geometriske værdi, " sagde Mak. "Så vidt vi ved, dette er sandsynligvis den største forbedring, der er rapporteret til dato. På grund af prøvelidelser, imidlertid, den observerede forbedring er langt fra uendelig som forudsagt af Veits oprindelige beregninger. Man kunne forestille sig yderligere kapacitansforbedring med bedre prøver i fremtiden."

De nylige resultater indsamlet af dette hold af forskere kan have vigtige konsekvenser for udviklingen af ​​elektroniske enheder. Faktisk, deres arbejde viser, at kapacitansen af ​​halvledermoiré-supergitter kan forbedres betydeligt, hvilket betyder, at ladningslagringen af ​​enheder fremstillet af disse materialer kunne forbedres.

Ud over, holdet indsamlede værdifulde kvantitative målinger af de termodynamiske egenskaber af elektronkrystaltilstande i halvledermoiré-supergitter. I fremtiden, disse målinger kunne hjælpe til bedre at forstå naturen af ​​disse eksotiske tilstande af stof.

"Termodynamisk måling er en vigtig færdighed i fysik, da det hjælper med at forstå naturen af ​​mange nye kvantetilstande af stof, " tilføjede Mak. "Der er så mange eksotiske tilstande, der for nylig er blevet opdaget i moiré-materialer (f.eks. superledningsevne, korrelerede isolatorer, elektronkrystaller, kvante anomal Hall-effekt, etc.). At udføre termodynamiske undersøgelser af disse tilstande vil helt sikkert hjælpe med at forstå nogle af mysterierne i dette forskningsfelt. Generelt, Kapacitansmåling er et meget nyttigt diagnostisk værktøj til kvantespørgsmål."

© 2021 Science X Network