Enginering af 2D-halvledere med indbyggede hukommelsesfunktioner

Et team af forskere ved University of Manchester's National Graphene Institute (NGI) og National Physical Laboratory (NPL) har påvist, at let snoede 2D overgangsmetal dichalcogenider (TMD'er) viser ferroelektricitet ved stuetemperatur.

Denne egenskab, kombineret med TMD'ers enestående optiske egenskaber, kan bruges til at bygge multifunktionelle optoelektroniske enheder såsom transistorer og LED'er med indbyggede hukommelsesfunktioner på nanometerlængdeskala.

Ferroelektriske materialer er materialer med to eller flere elektrisk polariserbare tilstande, der kan omskiftes reversibelt ved påføring af et eksternt elektrisk felt. Denne materialeegenskab er ideel til applikationer såsom ikke-flygtig hukommelse, mikrobølgeenheder, sensorer og transistorer. Indtil for nylig var ferroelektricitet, der kunne skiftes ud af planet ved stuetemperatur, kun blevet opnået i film, der var tykkere end 3 nanometer.

2D-heterostrukturer

Siden isoleringen af ​​grafen i 2004 har forskere på tværs af den akademiske verden studeret en række nye 2D-materialer med en lang række spændende egenskaber. Disse atomisk tynde 2D-krystaller kan stables oven på hinanden for at skabe såkaldte heterostrukturer - kunstige materialer med skræddersyede funktioner.

For nylig påviste et team af forskere fra NGI i samarbejde med NPL, at under en vridningsvinkel på 2 ^o , rekonstruerer atomgitre fysisk for at danne områder (eller domæner) af perfekt stablede dobbeltlag adskilt af grænser for lokalt akkumuleret stamme. For to monolag stablet parallelt med hinanden skabes et tesselleret mønster af spejlreflekterede trekantede domæner. Det vigtigste er, at de to nabodomæner har en asymmetrisk krystalsymmetri, hvilket forårsager en asymmetri i deres elektroniske egenskaber.

Ferroelektrisk kobling ved stuetemperatur

I værket, udgivet i Nature Nanotechnology , demonstrerede holdet, at domænestrukturen skabt med lav-vinkle vridning værter grænsefladen ferroelektricitet i tolags TMD'er. Kelvin-sondekraftmikroskopi afslørede, at nabodomæner er modsat polariserede, og elektriske transportmålinger viste pålidelig ferroelektrisk omskiftning ved stuetemperatur.

Holdet fortsatte med at udvikle en scanningselektronmikroskop (SEM)-teknik med forbedret kontrast ved hjælp af signaler fra tilbagespredte elektroner. Dette gjorde det muligt at anvende et elektrisk felt in-situ, mens der afbildes ændringer i domænestrukturen på en ikke-invasiv måde, hvilket giver væsentlig information om, hvordan domæneskiftemekanismen fungerer. Grænserne, der adskiller de modsat polariserede domæner, viste sig at udvide sig og trække sig sammen afhængigt af tegnet på det påførte elektriske felt og førte til en betydelig omfordeling af de polariserede tilstande.

Dette arbejde viser tydeligt, at vridningsgraden af ​​frihed kan tillade skabelsen af ​​atomisk tynd optoelektronik med skræddersyede og multifunktionelle egenskaber.

Bredt udvalg til skræddersyede 2D-materialer

Hovedforfatter Astrid Weston siger, at "det er meget spændende, at vi kan demonstrere, at dette enkle vridningsværktøj kan udvikle nye egenskaber i 2D-krystaller. Med det brede udvalg af 2D-krystaller at vælge imellem giver det os næsten ubegrænset muligheder for at skabe perfekt skræddersyede krystaller. kunstige materialer."

Medforfatter Dr. Eli G Castanon tilføjede, at "at være i stand til at observere mønsteret og adfærden af ​​ferroelektriske domæner i strukturer, der har nanometer tykkelse med KPFM og SEM, var meget spændende. Fremskridtet af karakteriseringsteknikker sammen med de omfattende muligheder for dannelse af nye heterostrukturer af 2D-materialer baner vejen for at opnå nye muligheder på nanoskala for mange industrier." + Udforsk yderligere

Elektroniske nanomønsteregenskaber af snoede 2D-halvledere ved hjælp af twist