Team demonstrerer sjælden form for elektricitet i ultratyndt materiale

Den nanoskopiske ækvivalent til at stable et sæt kort - at lægge materialer i lag med få atomer tykt oven på hinanden - er dukket op som et yndet tidsfordriv for materialeforskere og elektroingeniører verden over.

Ligesom kort kan variere efter farve og værdi, kan egenskaberne af disse atomisk tynde 2D-materialer også variere:elektronisk, magnetisk, optisk eller på en række andre måder. Og ligesom at kombinere de rigtige kort kan give værdifulde hænder, kan de rigtige kombinationer af 2D-materialer give teknologisk værdifulde resultater.

University of Nebraska–Lincolns Alexei Gruverman, Alex Sinitskii og kolleger har nu demonstreret, at et bestemt 2D-materiale, der allerede betragtes som et billedkort, faktisk rangerer som et es i hullet.

Dette materiale er molybdændisulfid eller MoS₂ . Sammen med partnere fra Luxembourg, Kina og Frankrig har Husker-forskerne vist, at MoS₂ besidder en lang teoretiseret egenskab, der kunne hjælpe computere, telefoner og anden mikroelektronik med at spare både strøm og deres nøjagtige elektriske tilstand, selv efter at være blevet slukket.

MoS₂ 's strømbesparende, statsbesparende løfte kommer takket være en værdsat, men usædvanlig ejendom kendt som ferroelektricitet. Den lodrette adskillelse og arrangement af negative vs. positive ladninger i ferroelektriske materialer kan øjeblikkeligt vendes blot ved at påføre en vis spænding. Disse modsat justerede eller polariserede tilstande kan læses eller lagres som 1'erne og 0'erne for binære data, hvor tilstandene forbliver, selv når en strømkilde er blevet afbrudt.

Denne sæt-det-og-glem-det-fordel forstærkes af det faktum, at spænding kan vende polarisering og kode en respektiv 1 eller 0, mens den trækker langt mindre energi end de magnetiske felter, der ofte bruges til at kode digitale data. Samlet set har disse fordele positioneret ferroelektriske materialer som en fremtrædende aktør i en fremtid, der er endnu mere afhængig af mikroelektronik.

Teori-understøttede simuleringer havde foreslået, at MoS₂ var netop sådan et materiale. Som med andre 2D-materialer, beviser det dog, at det har vist sig at være djævelsk svært. Men ved at skubbe flager af molybdændisulfid med en nanoskopisk nål, der samtidig exciterede materialet med et elektrisk felt, har det Husker-ledede hold formået at bekræfte, at MoS₂ er faktisk ferroelektrisk. Materialets polariserede tilstande holdt i op til uger ad gangen, sagde forskerne, og blev observeret med MoS₂ flager, der sidder oven på et af flere andre materialer.

"Ferroelektricitet i todimensionelle materialer er generelt et nyt fænomen," sagde Sinitskii, professor i kemi ved Nebraska. "Det blev opdaget for ganske nylig, og eksemplerne på todimensionelle systemer, der udviser ferroelektrisk polarisering, er stadig meget begrænsede."

Ferroelektricitet alene ville derfor være nok til at hvælve molybdændisulfid op på ranglisten af ​​2D-materialer. Alligevel MoS₂ har andre egenskaber, der appellerer til de ingeniører, der har til opgave at bygge bedre enheder. Det er relativt nemt at dyrke, først i løs vægt, derefter ved at pille atomisk tynde lag af ved hjælp af scotch tape. I modsætning til mange af dets 2D-modstykker holder den stand, når den udsættes for luft og spiller godt sammen med de iltrige materialer, der findes i mange elektroniske komponenter.

Ud over alt det, er det et halvledende materiale i silicium-venen - det mangeårige valg til integrerede kredsløb eller mikrochips - hvilket betyder, at dets strøm af elektrisk strøm kan udløses og standses med minimal indsats. Det sætter MoS₂ bortset fra de fleste ferroelektriske stoffer, sagde Gruverman.

I kølvandet på holdets undersøgelse, som udkom i tidsskriftet npj 2D Materials and Applications , MoS₂ tilføjer nu kun en håndfuld materialer, der kan prale af høj, men kontrollerbar ledningsevne og let omskiftelig polarisering, sagde forskerne.

"Der har altid været denne stræben efter at kombinere halvledende og ferroelektriske egenskaber i ét materiale, fordi det ville gøre det til et meget kraftfuldt materiale - en hellig gral, om man vil - for halvlederindustrien," sagde Gruverman, professor i fysik ved Charles Mach University. astronomi.

'Den struktur, vi observerede, var tydeligvis uden fortilfælde'

Et materiales atomer kan antage forskellige konfigurationer, der genererer forskellige egenskaber. Det mest berømte eksempel på fænomenet kan være kulstof, som kan variere fra en blød sort kulklump til en næsten uforgængelig, gennemsigtig diamant.

Molybdændisulfid, som består af et molybdænatom for hver to svovl, er ingen undtagelse. I sin mest stabile tilstand, kendt som 2H, fungerer materialet som en halvleder, men mangler faktisk ferroelektricitet. Men tilskynde MoS₂ med et lille punkt flyttede nogle af svovlatomerne opad, fandt holdet, og ændrede afstanden mellem disse atomer og molybdæn. Det ændrede til gengæld fordelingen af ​​atomernes elektronskyer, hvilket i sidste ende transformerede den halvledende 2H til en mere ledende, ferroelektrisk fase kendt som 1T."

For at skifte polarisering af MoS₂ , udnyttede forskerne den såkaldte flexo-elektriske effekt:en ændring i den elektriske adfærd af et materiale, når det begynder at belaste under kraften af ​​en mekanisk belastning. I mere end et halvt århundrede har fysikere vidst, at jo mere variabel belastningen er – det vil sige, jo større forskelle er i, hvordan forskellige områder af et materiale vil deformeres under stress – jo mere udtalt vil den elektriske polarisering være. Tykkere materialer har en tendens til at opleve ret ensartede stammer, sagde Gruverman, hvilket resulterer i begrænset polarisering og anvendelighed til kodning af binære data.

Et 2D-materiale som MoS₂ -især en med de fineste fine punkter - er en meget anderledes udsigt, hvilket giver en enorm forskel i belastninger og som følge heraf en massiv flexo-elektrisk effekt.

"I materialer så tynde som MoS₂ , denne flexo-elektriske effekt er meget dyb," sagde Gruverman. "Det, der er vigtigt, er, at denne tilgang kan bruges som et meget effektivt værktøj til at kontrollere polarisationstilstande i ferroelektrik.

"Nu har vi vist, at vi ud over det elektriske felt kan bruge mekanisk spænding som en måde at kontrollere eller justere de elektroniske egenskaber af disse heterostrukturer på."

Holdet opdagede også en overraskelse, der kunne fungere i MoS₂ 's gunst. Selvom de flager, som Sinitskii og hans kolleger fremstillede, var praktisk talt uberørte, stødte holdet af og til på polarisationssignaler, der var væsentligt svagere, end de forventede. Nysgerrig havde Sinitskii ideen til at vende flagerne og måle signalerne igen i håb om at få indsigt i den ultratynde tredje dimension af det i det væsentlige 2D-materiale.

Da de gjorde det, fastslog forskerne, at flagerne indeholdt tilfældigt vekslende polariseringslag - nogle med positive ladninger i toppen og negative ladninger i bunden, andre omvendt.

"Den struktur, vi observerede, var klart uden fortilfælde, fordi ingen af ​​de todimensionelle ferroelektriske strukturer, som folk observerede før, udviste denne form for arrangement af ferroelektriske domæner," sagde Sinitskii.

Eksistensen af ​​disse tilfældigt vekslende lag indebar en anden overraskelse. I nogle tilfælde støder ladninger med samme fortegn op mod hinanden - positive til positive eller negative til negative - uden at frastøde hinanden, som de normalt ville forventes. Hvordan? Holdet har mistanke om, at den særligt høje ledningsevne af 1T" MoS₂ fremmer strømmen af ​​nok ladninger mellem disse lag for at forhindre frastødning. Det er muligt, sagde Gruverman, at de intra-lags strømme kunne styres ved at vende polariseringen af ​​MoS₂ flager, der tilbyder en anden hyperlokaliseret måde at kode data på.

"Det er ret usædvanligt at have disse lag af et materiale, hvor polarisering i et lag er ligeglad med polarisationstilstanden i det tilstødende lag," sagde Gruverman. "Sædvanligvis ville denne form for hoved-til-hoved og hale-til-hale-konfiguration være meget ugunstig. Alligevel ser det ud til, at her er disse lag absolut ikke-følsomme over for polarisationstilstanden i de tilstødende lag."

Men det fulde løfte om molybdændisulfid kan kun afsløre sig selv, sagde Sinitskii, når materialeforskere - nu kender den sande værdi af MoS₂ — formår at spille det med de helt rigtige hænder.

"Dette er et meget varmt emne lige nu," sagde Sinitskii. "Der er mange mennesker, der virkelig blander disse forskellige lag og stabler dem oven på hinanden. Nu har de en anden slags todimensionelt materiale, som kunne føjes til disse stakke og gøre dem mere mangfoldige, mere programmerbare og i sidste ende, mere nyttigt." + Udforsk yderligere

Forskere opnår atomisk tynde molybdændisulfidfilm på store substrater