Foto Universiteit van Tel Aviv
Onderzoek van de Universiteit van Tel Aviv onthult tweedimensionale kristallen die een unieke beheersing van verschillende elektrische potentiaalstappen vertonen door atomair dunne lagen tegen elkaar te schuiven.
De opeenvolgende, uiteindelijk dunne, elektrische schakelaars die zijn gerapporteerd, zijn een zeer gewilde bron voor informatietechnologie en nieuwe elektro- en optomechanische toepassingen. Het onderzoek, nu gepubliceerd in het tijdschrift Nature, werd uitgevoerd door Dr. Swarup Deb, M.Sc. student Noam Raab, prof. Moshe Goldstein en dr. Moshe Ben Shalom, allen van de Raymond & Beverly Sackler School of Physics & Astronomy aan de Universiteit van Tel Aviv, en Dr. Wei Cao, prof. Michael Urbakh en prof. Oded Hod van de Chemistry School aan de TAU, en prof. Leeor Kronik van de Weizmann Inst.
Dr. Moshe Ben Shalom, hoofd van de Quantum Layered Matter Group, zegt: "We zijn gefascineerd door hoe de atomen in een gecondenseerde materie ordenen, hoe elektronen ervoor kiezen om zich tussen de atomen te mengen, en of en hoe externe prikkels de atomaire orde en de elektrische ladingsverdeling.
Het beantwoorden van deze vragen is een uitdaging vanwege het enorme aantal atomen en elektronen, zelfs in de kleinste apparaten van onze meest geavanceerde technologieën. Een van de trucs is om kristallen te bestuderen, die veel kleinere eenheden bevatten, elk met slechts een paar atomen en elektronen. Hoewel kristallen zijn gemaakt van veel identieke eenheden, die periodiek in de ruimte worden herhaald, worden hun eigenschappen volledig afgeleid van de symmetrie van één eenheidscel en de details van de weinige atomen die het vastlegt. En toch is het een uitdaging om deze details te begrijpen en te voorspellen, aangezien de elektronen zich tegelijkertijd over alle atomen verspreiden, zoals bepaald door hun gezamenlijke kwantummechanische interacties".
Een manier om de atomaire orde en de elektronische ladingsverdeling te onderzoeken, is door de symmetrie van de cellen te doorbreken om interne elektrische velden te induceren. Kristallen met permanente interne elektrische velden worden poolkristallen genoemd. In 2020 rapporteerde hetzelfde lab van TAU een nieuw poolkristal door twee lagen van een van der Waals-kristal op elkaar te stapelen, waarbij elke laag slechts één atoom dik was.
De natuurlijke volgorde waarin Dr. Ben Shalom het samenvat: "deze kristallen groeien symmetrisch, waarbij elke volgende laag 180 graden wordt gedraaid in vergelijking met de vorige. Hier staat het ene type atoom precies boven het andere type. Omgekeerd worden de kunstmatige kristallen die in het lab zijn geassembleerd niet geroteerd, wat resulteert in een lichte verschuiving tussen de lagen, waardoor ze afdwalen van de volledig symmetrische configuraties. Deze niet-symmetrische kristalstructuur dwingt elektronen om van de ene laag naar de andere te springen, waardoor er een permanent elektrisch veld tussen hen ontstaat. Cruciaal was dat de groep ontdekte dat het toepassen van externe elektrische velden ervoor zorgt dat de lagen heen en weer schuiven om de richting van de sprong van het elektron af te stemmen op de oriëntatie van het externe veld. Ze noemden het fenomeen "grensvlakferro-elektriciteit" en wezen op de unieke domeinmuurbeweging die de "Slide-Tronics"-reactie regelt." (https://www.science.org/doi/10.1126/science.abe8177).
Dr. Ben Shalom legt uit: "De ferro-elektrische respons die we hebben ontdekt, bevindt zich in een systeem met twee atomen dik, het dunst mogelijke, en is daarom zeer aantrekkelijk voor informatietechnologieën die zijn gebaseerd op elektronische kwantumtunneling. We ontwikkelen dergelijke tunneling apparaten nu in een stealth fase bedrijf genaamd Slide-Tro LTD, opgericht met de universiteit en een externe investeerder. Wij zijn van mening dat een groot aantal apparaten, van elektronica met laagvermogen tot robuuste niet-vluchtige geheugens, mogelijk is met deze technologie. Vanuit een fundamenteel wetenschappelijk perspectief wees de ontdekking ons erop op nieuwe vragen: hoe is de elektrische lading geordend? En hoe groeit het elektrisch potentieel als we extra lagen stapelen om de symmetrie van de kristallen verder te breken of te herstellen? Met andere woorden, in plaats van kristallen uit te dunnen, zoals tot nu toe enorm is onderzocht, we zouden nu nieuwe poolkristallen kunnen samenstellen, laag voor laag, en de elektrische potentiaal op elke stap van de kristallijne ladder kunnen onderzoeken".
In het experiment vergeleken de onderzoekers aangrenzende paar lagen dikke domeinen met verschillende achterwaartse/voorwaartse verschuivingen tussen de verschillende lagen, resulterend in verschillende polarisatie-oriëntaties. In vier lagen (met drie polaire interfaces) zijn er bijvoorbeeld vier toegestane configuraties: allemaal omhoog wijzend, één omlaag en twee omhoog, twee omlaag en één omhoog, en allemaal omlaag.
"We waren verheugd om een ladder te vinden met verschillende elektrische potentialen die gescheiden zijn door bijna gelijke treden, zodat elke trede kan worden gebruikt als een onafhankelijke informatie-eenheid", zegt Noam Rab, een student die de metingen uitvoert.
"Dit is heel anders dan elke tot nu toe bekende polaire dunne film, waar de polarisatiemagnitude erg gevoelig is voor veel oppervlakte-effecten en waar de polaire oriëntatie in één keer alleen tussen twee potentialen schakelt." Bovendien benadrukt Dr. Swarup Deb, een vooraanstaand auteur van het artikel: "we ontdekten dat de interne elektrische velden substantieel blijven, zelfs als we externe elektronen aan het systeem toevoegen om het zowel geleidend als polair te maken.
Doorgaans schermt de externe lading de interne polarisatie af, maar in de huidige interfaciale ferro-elektrische extra elektronen konden alleen langs de lagen stromen zonder te veel tussen de lagen te springen, om het elektrische veld buiten het vlak te dempen". Dr. Wei Cao, een van de andere vooraanstaande auteurs, voegt toe: "Met behulp van theoretische berekeningen gebaseerd kwantummechanische principes hebben we de precieze verdeling van de polaire lading en de geleidende lading geïdentificeerd.De eerste is sterk beperkt tot de interfaces tussen de lagen en beschermt daarom d door externe verstoringen.
Dankzij de berekeningen konden we voorspellen welke kristallen het best bestand zijn tegen de extra lading en hoe we nog betere Ladder-Ferro-elektriciteit kunnen ontwerpen. verschillende kristalsymmetrieën om nieuwe Ladder-Multiferroics te vormen".
