Fysikere udvikler ferroelektricitet til en velkendt familie af halvledere

MIT fysikere og kolleger har konstrueret en ny egenskab til en velkendt familie af halvledere ved at manipulere ultratynde ark af materialer, der kun er få atomlag tykke.

Arbejdet er vigtigt, fordi de nye materialer i sig selv kunne have interessante anvendelser inden for computere og mere. Derudover er den overordnede tilgang generisk og kan anvendes på andre allerede eksisterende materialer, hvilket også udvider deres potentielle anvendelser.

Halvledere er materialer som silicium med ledningsevne et sted mellem metaller, som tillader elektroner at bevæge sig meget effektivt, og isolatorer (som glas), der hindrer processen. De er hjørnestenen i computerindustrien.

De halvledende materialer, der er involveret i det nuværende arbejde, er kendt som transition metal dichalcogenides (TMD'er). MIT-teamet viste, at når to enkeltark af en TMD, hver kun et par atomlag tykke, stables parallelt med hinanden, bliver materialet ferroelektrisk. I et ferroelektrisk materiale går positive og negative ladninger spontant til forskellige sider eller poler. Ved påføring af et eksternt elektrisk felt skifter disse ladninger side og vender polariseringen om. I de nye materialer sker alt dette ved stuetemperatur.

TMD'er er allerede kendt for deres interessante elektriske og optiske egenskaber. Forskerne mener, at samspillet mellem disse egenskaber og den nyligt tilførte ferroelektricitet kan føre til en række interessante anvendelser.

"Inden for kort tid har vi formået at udvide den lille, men voksende familie af todimensionelle ferroelektriske stoffer, en nøgletype materiale på grænsen inden for applikationer inden for nanoelektronik og kunstig intelligens," siger Pablo Jarillo-Herrero, Cecil og Ida Green professor i fysik og leder af arbejdet, som blev rapporteret i Nature Nanotechnology . Jarillo-Herrero er også tilknyttet MIT's Materials Research Laboratory.

Ud over Jarillo-Herrero er forfatterne af papiret Xirui Wang, en MIT kandidatstuderende i fysik; Kenji Yasuda og Yang Zhang, MIT postdoktorale associerede; Song Liu fra Columbia University; Kenji Watanabe og Takashi Taniguchi fra National Institute for Materials Science i Japan; James Hone fra Columbia University og Liang Fu, lektor i fysik ved MIT.

Ultra-tynd ferroelektrik

Sidste år viste Jarillo-Herrero og mange af de samme kolleger, at når to atomisk tynde plader af bornitrid stables parallelt med hinanden, bliver bornitridet ferroelektrisk. I det nuværende arbejde anvendte forskerne den samme teknik på TMD'er.

Ultratynde ferroelektriske stoffer som dem, der er lavet af bornitrid og TMD'er, kan have vigtige anvendelser, herunder meget tættere computerhukommelse. Men de er sjældne. Med tilføjelsen af ​​de fire nye TMD ferroelektriske komponenter rapporteret i Nature Nanotechnology , alle en del af den samme halvlederfamilie, "vi har næsten fordoblet antallet af ultratynde ferroelektriske apparater ved stuetemperatur," siger Xirui Wang. Desuden bemærkede hun, at de fleste ferroelektriske materialer er isolatorer. "Det er sjældent at have en ferroelektrisk, der er en halvleder."

Hvad er det næste?

"Dette er ikke begrænset til bornitrid og TMD'er," siger Kenji Yasuda. "Vi håber på, at vores teknik kan bruges til at tilføje ferroelektricitet til andre allerede eksisterende materialer. Kunne vi for eksempel tilføje ferroelektricitet til magnetiske materialer?"

Dette arbejde blev finansieret af US Department of Energy Office of Science, Army Research Office, Gordon and Betty Moore Foundation, U.S. National Science Foundation, Ministeriet for Uddannelse, Kultur, Sport, Videnskab og Teknologi (MEXT) i Japan, og Japan Society for the Promotion of Science. + Udforsk yderligere

Fysikere konstruerer ny egenskab ud af 'hvid' grafen