Udvikling af nyt lagdelt materiale til fremtidig elektronik

En ny RMIT-ledet undersøgelse stabler to forskellige typer 2D-materialer sammen for at skabe et hybridmateriale, der giver forbedrede egenskaber.

Dette hybridmateriale besidder værdifulde egenskaber til brug i fremtidig hukommelse og elektroniske enheder såsom tv'er, computere og telefoner. Det vigtigste er, at de elektroniske egenskaber af den nye stablede struktur kan kontrolleres uden behov for ekstern belastning, hvilket åbner vejen for brug i fremtidige lavenergitransistorer.

Resultatet er et nyt potentielt materiale til multiferroiske nanoenheder, såsom felteffekttransistorer og hukommelsesenheder, som kunne arbejde med meget mindre energi end den nuværende siliciumbaserede elektronik samt gøre elektroniske komponenter mindre.

Atomisk tynde byggeklodser

Værket bruger en struktur bestående af to atomisk tynde materialer:en film af et ferroelektrisk materiale og en anden film af et magnetisk materiale. (En sådan struktur af to eller flere forskellige materialer omtales som en "heterostruktur")

Ved at stable de to 2D-materialer sammen skaber forskerne et "multiferroisk" materiale, der kombinerer de unikke egenskaber af komponenten ferroelektriske og ferromagnetiske materialer.

• Ferromagnetiske (eller magnetiske) materialer er velkendte, som materialer med en permanent, iboende magnetisme, såsom jern. I ferromagnetiske materialer kan elektronspin justeres for at danne et stærkt magnetisk felt (det er, hvad det betyder, at de kan "magnetiseres").
• Ferroelektriske materialer kan betragtes som den elektriske analogi til ferromagnetiske materialer, med deres permanente elektriske polarisering, der ligner nord- og sydpolen af ​​en magnet.
• Multiferroiske materialer er simpelthen dem, der udviser mere end én ferroisk egenskab (i dette tilfælde ferromagnetisme og ferroelektricitet).

Specifikt fandt forskerne ud af, at de kunne bruge de iboende ferroelektriske egenskaber til at justere Schottky-barrierehøjden på In₂ Se₃ / Fe₃ GeTe₂ heterostruktur i stedet for at bruge påført belastning, som kræves af andre systemer. (Schottky-barrieren er en energiforskel skabt ved at forbinde et metal med en halvleder.)

At kunne indstille højden af ​​barrieren er nødvendig for at konvertere strøm fra vekselstrøm (AC) til direkte (DC) til brug i elektroniske komponenter såsom dioder, der findes i tv'er, computere og andre almindelige elektroniske enheder.

Den resulterende, omskiftelige Schottky-barrierestruktur kan udgøre en væsentlig komponent i en todimensionel felteffekttransistor (FET), der kan betjenes ved at skifte den iboende ferroelektriske polarisation i stedet for ved påføring af ekstern belastning.

Skift uden ekstern belastning

Dette arbejde anvender en heterostruktur af to 2D monolag:In₂ Se₃ og Fe₃ GeTe₂ (normalt forkortet til "FGT"), hvor In₂ Se₃ er en ferroelektrisk halvleder, og FGT er et magnetisk/ferromagnetisk materiale.

"Vores resultater viser, at In₂ Se₃ /FGT giver egenskaber, der kan sammenlignes med andre heterostrukturer, men uden behov for ekstern belastning," siger den korresponderende forfatter Prof Michelle Spencer. "Vi kan ikke kun kontrollere barrierehøjden med denne heterostruktur, men vi kan også skifte mellem en n-type og p- type Schottky-barriere."

Sådan kontrollerbarhed og tunerbarhed af In₂ Se₃ /FGT-heterostrukturen kan udvide dets enhedspotentiale betydeligt i fremtidige elektroniske enheder med lavt energiforbrug.

"Vi fandt en væsentlig ændring i de strukturelle og elektroniske egenskaber ved at skifte mellem konfigurationerne af In₂ Se₃ . Sådanne ændringer gør denne heterostruktur nyttig som en omskiftelig 2D Schottky-diodeenhed," sagde hovedforfatter Dr. Maria Javaid.

Fra teori til laboratoriet

Resultatet er direkte anvendeligt til FLEETs mission mod en ny generation af ultra-lavenergiteknologier ud over CMOS-elektronik.

Ud over at introducere en ny mulig vej mod multiferroiske nanoenheder, vil arbejdet motivere eksperimentelister på dette felt til at udforske yderligere muligheder for brugen af ​​In₂ Se₃ /FGT i fremtidige elektroniske enheder med lav energi, for eksempel:

• Syntetisering af en ny multiferroisk heterojunction, der har evnen til at "tune" Schottky-barrierehøjden og skifte mellem en n-type og en p-type via en switch i ferroelektrisk polarisering.
• Udforsker heterostrukturer af In₂ Se₃ med andre ferromagnetiske materialer.

Ny undersøgelse præsenterer multiferroicitet i atomare Van der Waals heterostrukturer