Veijo Hänninen

Kaksi ja puoliulotteiset

Kaksiulotteiset materiaalit ovat olleet vahvan tutkimuksellisen mielenkiinnon kohteena sitten grafeenin löydön.

Grafeeni ja esimerkiksi borofeeni ovat todella kaksiulotteisia siinä mielessä että ne muodostuvat vain yhdestä atomikerroksesta.

Toinen laji näitä kaksiulotteisia materiaaleja on siirtymämetallien dikalkogenidien (TMDC) monokerrokset eli ne koostuvat kahdesta tai useammasta kovalenttisesti sitoutuneesta alkuaineesta.

Näillä kerroskoosteilla kuten MoS2, WS2, MoSe2, WSe2, MoTe2 on suora kaistaero ja niitä voidaan käyttää elektroniikassa transistoreina ja optiikassa emittereinä ja ilmaisimina.

Koosteen yksikerroksisessa kiderakenteessa ei ole inversiokeskusta, mikä mahdollistaa uuden varauskantajien vapausasteen, nimittäin k-laakson indeksin ja voi siten jopa avata uuden fysiikan kentän: valleytronics.

Ei tarvitse olla täydellinen

Siirtymämetallien dikalkogenidit voivat muodostaa stabiileja kolmen atomin paksuisia puolijohtavia materiaalikerroksia, joilla on hyvä varaustenkantajien liikkuvuus ja luontainen kaistaero. Sellaista ei esimerkiksi grafeenilla ole.

Niiden laajamittainen tuottaminen eristäville alustoille mahdollistaisi atomisesti ohuiden transistorien ja valoilmaisimien valmistuksen teknologisesti mielekkäässä mittakaavassa ilman materiaalikerroksen siirtoa.

Atomisen ohuet TMDC-puolijohteet voivat johtaa piirirakenteisiin, jotka toimivat tehokkaammin kuin perinteiset puolijohteet valoa emittoivissa diodeissa, lasereissa ja aurinkokennoissa. Mutta näitä materiaaleja on vaikea valmistaa ilman virheitä, jotka heikentävät niiden suorituskykyä.

Äskettäin Berkeley Labin tutkijat paljastivat, että TMDC:n tehokkuutta eivät heikennä niinkään viat vaan ylimääräiset vapaat elektronit.

Tutkijat havaitsivat, että kun he käyttivät sähköistä jännitettä kemiallisen käsittelyn sijaan molybdeenidisulfidista ja volframidisulfidista valmistettuihin TMDC-materiaaleihin, ylimääräiset vapaat elektronit poistetaan materiaalista, mistä seuraa 100 %:n kvanttisaanto.

Tutkijoiden mukaan sataprosenttinen kvanttisaanto on ennennäkemätöntä epäorgaanisissa TMDC-rakenteissa. Tämä tulos osoittaa, että voi olla paljon helpompaa ja halvempaa kuin aiemmin ajateltiin tehdä hyödyllisiä optoelektronisia laitteita näistä materiaaleista.

Uusia yllätyksiä kaksiulotteisista

Washingtonin yliopiston tutkijoiden johtamassa ryhmässä metalliyhdiste wolframiditelluridistä (WTe2) tehtiin vuonna 2018 löytö, että sen 2D-muoto voi läpikäydä ferrosähköistä vaihtoa.

Havaittiin, että kun kaksi yksikerroksista yhdistetään, tuloksena olevassa ”kaksikerroksisessa” kehittyy spontaani sähköpolarisaatio. Tätä polarisaatiota voidaan kääntää kahden vastakkaisen tilan välillä sovelletulla sähkökentällä.

WTe2 ylläpitää ferrosähköistä kytkentää huoneenlämmössä ja sen kytkentä on luotettavaa eikä heikkene ajan myötä, toisin kuin monet tavanomaiset kolmiulotteiset ferrosähköiset materiaalit.

Jo aiemmin osin sama tutkijaryhmä oli havainnut että WTe2 on myös ”topologinen eriste,” ensimmäinen 2D-materiaali tällä eksoottisella omaisuudella. Näistä kaksiulotteisista on löytynyt myös magnetismia.

Elektronien kvanttivalssi

Sveitsiläisen EPFL:n professori Andras Kisin vetämän Laboratory of Nanoscale Electronics and Structuresin (LANES) tutkijat pystyivät selvittämään erilaisia kvanttiominaisuuksia kaksiulotteisten siirtymämetallien kalkogeeneistä.

Tutkimusmenetelmät osoittivat, että TMDC-materiaaleissa on mahdollista käyttää spiniä, mitata sitä ja käyttää sitä uusien toimintojen käyttöönottamiseksi", Kis toteaa vuoden 2018 tiedotteessaan.

Tällaisten 2D-puolijohteiden elektronien ja aukkojen spinit voivat olla suuntautuneina ylös tai alaspäin ja näiden kahden tilan energiat ovat hieman erilaiset. Tätä kutsutaan spinin halkaisuksi ja EPFL-tutkijat ovat mitanneet sen ensimmäistä kertaa TMDC-materiaalien elektronien suhteen.

Nämä löydöt ovat askel eteenpäin spintroniikan kehittyvälle alalle ja tekevät sen todennäköisemmäksi, että varausten erilaisia ominaisuuksia eli spiniä käytetään sähköisen varauksen lisäksi tulevaisuuden elektronisissa laitteissa.

Valon vyörytystä

Julius-Maximilians Universität Würzburgin (JMU) tutkijat ovat puolestaan stimuloineet laserilla WSe2-yksikerroksista, joka on asennettu kahden peilin väliin. Kerrosta viritettiin säteilyllä siinä määrin, että se alkoi vapauttaa fotoneja. Peilit heijastivat fotonit takaisin kerrokseen, jossa fotonien edelleen virittämät atomit tuottivat uusia fotoneja.

Tutkijat kutsuivat tätä prosessia vahvaksi kytkennäksi, jonka aikana valohiukkaset tavallaan kloonautuvat.

Näiden "kloonattujen" fotonien ominaisuudet ovat samanlaisia kuin laservalolla. Kuitenkin ne on tuotettu täysin eri menetelmällä. Ihannetapauksessa uusien valohiukkasien generoituminen on itseään ylläpitävä prosessi, tarvitsematta alkuperäisen virityksen jälkeen lisäenergiaa. Käytännössä näin kuitenkaan tuskin tapahtuu mutta joka tapauksessa kyseessä olisi äärimmäisen energiatehokas yksittäisien fotoniemissioiden ryöppy.

Eksitoneja ja uusi vapausaste

Rensselaerin apulaisprofessori Sufei Shin tutkimusjulkaisu vuodelta 2018 lisäsi ymmärrystä siitä, miten valo toimii vuorovaikutuksessa atomisen ohuen puolijohteen kanssa ja luo ainutlaatuisia monimutkaisia eksitonisia hiukkasia eli useita elektroneja ja aukkoja, jotka ovat vahvasti sidoksissa toisiinsa.

Näillä hiukkasilla on uusi kvanttitason vapausaste, nimeltään "laakso spin". Se on vastaavanlainen kuin elektronien spin, joka on myös lupaava ehdokas kvanttilaskennalle.

Shin tutkimus keskittyy pieniulotteisiin kvanttimateriaaleihin ja niiden kvanttiefekteihin ja erityisesti materiaaleihin, joilla on voimakas valo-aine vuorovaikutus. Näihin materiaaleihin kuuluvat grafeeni, siirtymämetallikalkogeenejä (TMD), kuten volframi diselenidi (WSe2) ja topologiset eristeet.

Kun eksitonien tiheys kasvaa, yhä useampia elektroneja ja aukkoja yhdistyy yhteen muodostaen neljän ja jopa viiden hiukkasen eksitonikomplekseja. Käsitys niistä tuottaa paitsi valo-aine vuorovaikutuksen perustavanlaatuisen ymmärryksen kaksiulotteisissa mutta se johtaa myös uusiin sovelluksiin, koska monen hiukkasen eksitonikompleksit ylläpitävät laakso spin ominaisuuksia paremmin kuin eksitonit.

Tutkimuksen tulokset voisivat johtaa vankkaan monihiukkasiseen optiseen fysiikkaan ja uusiin sovelluksiin elektronisissa ja optoelektronisissa laitteissa, kuten aurinkoenergian korjuussa, uudenlaisissa lasereissa ja kvanttitunnistuksessa.

Valo ja aine yhtyvät

Ohuista volframidisulfidin materiaaleista kootulla rakenteella ruotsalaisen Chalmersin tutkijat ovat onnistuneet luomaan sellaisen takaisinkytkentäsilmukan, jossa valo ja materiaali tulevat yhdeksi.

Näin tutkijat ovat löytäneet täysin uuden tavan, jolla kaapata, vahvistaa ja linkittää valoa aineeseen nanotasolla.

Chalmersin tutkijoiden innovatiivinen "valorasia" tekee valon ja aineen väliset vaihtelut niin nopeasti, että näiden kahden tilan välillä ei ole enää eroa. Valosta ja aineesta tulee näin yksi ja sama.

Tutkijat käyttivät volframidisulfidia uudella tavalla. Luomalla pienen resonanssirakenteen, he pystyivät saamaan valon ja aineen vuorovaikuttamaan rakenteen sisällä.

Resonanssirakenne varmistaa, että valo siepataan ja heijastelee tietyllä "sävyllä" materiaalin sisällä, jolloin varmistetaan, että valoenergia voidaan siirtää tehokkaasti TMDC-materiaalista elektroneihin ja takaisin.

Olemme onnistuneet osoittamaan, että pinotut atomisesti ohuet materiaalit voidaan nanotasolla rakentaa pieniksi optisiksi resonaattoreiksi, mikä on erittäin kiinnostava fotonisten sovellusten kannalta, toteavat tutkijat yliopistonsa tiedotteessa.

Kiertyvät van der Waalsit

Nebraskan insinöörit Peter Sutter ja Eli Sutter ovat osoittaneet, että kaksikerroksisia van der Waals -heterorakenteita voidaan asettaa kiertokulmaan.

Yli vuosikymmenen ajan insinöörit ovat käsitelleet ja testanneet erilaisten ohutkalvojen kuten grafeenin ja TMDC-materiaalien van der Waals -heterorakenteita.

Muutama vuosi sitten, tieteilijät alkoivat tutkia myös van der Waals -pinojen kerrosten toisiinsa kiertämisen vaikutuksia. Havaitut kerrosten väärät kohdistukset tuottivat myös mielenkiintoisia tuloksia - muuntamalla materiaalin esimerkiksi suprajohteeksi tai muuttamalla sitä miten puolijohde emittoi valoa.

Saavutuksella on kuitenkin huomattava haaste: Huolimatta van der Waals -voimien heikkoudesta, läheiset kerrokset pysyvät mieluummin linjassa toistensa kanssa. Kerrosten kasaaminen manuaalisesti yksi kerrallaan voisi ratkaista ongelman, mutta vaatii äärimmäistä tarkkuutta eikä siten soveltuisi massatuotantoon.

Aalto-yliopiston ja Wyomingin yliopiston kollegoiden kanssa Sutterit onnistuivat syntetisoida suoraan kiertyneitä pinoja. Kierryttämien onnistui tinasulfidien ja rikin avulla. Kerroksien kiertymäksi saatiin 30 astetta. Ja kun kolmas kerros kiertyy toiset 30 astetta, kokonaiskiertymäksi tulee 60 astetta.

Osoittaakseen lähestymistavan yleistettävyyttä ryhmä sai aikaan saman ilmiön aikaan myös molybdeenidisulfidilla ja volframidisulfidilla.

Kierretyt heterostruktuurit osoittavat erityisen lupauksen modifioida atomisesti ohuiden puolijohteiden olennaista osaa: niiden kaistaeroja.

Tammikuu 2020