Keinotekoiset varauksien domeeniseinät 2D-ferrosähköisissä

Illinoisin yliopiston Urbana-Champaignin Grainger College of Engineeringin materiaalitieteilijät ovat alan ensikertalaisina yhdistäneet kaksi materiaalia luodakseen keinotekoisesti erittäin johtavan ferroelektrisen varatun domeeniseinämän.

Apulaisprofessori Arend van der Zanden ja jatko-opiskelija Shahriar Muhammad Nahidin johtama ja Advanced Materials -lehdessä julkaistu lähestymistapa korostaa varatun domeeniseinän monipuolisuutta 2D-materiaaleissa ja sitä voidaan käyttää neuromorfisten rakenteiden ja uudelleenkonfiguroitavan elektroniikan tulevassa kehityksessä.

Tutkiessaan 2D-ferrosähköisiä materiaaleja elektronimikroskopialla Huang ja jatko-opiskelija Edmund Han huomasivat, että luonnonkiteissä ilmestyi spontaanisti varattuja domeeniseiniä – rajapintoja, jossa kaksi sähköisesti vastakkaista aluetta kohtaavat materiaalin sisällä.

Varatuneet domeeniseinät (CDW) ovat arvokkaita materiaalitieteessä niiden epävakauden ja uudelleenkonfiguroitavuuden vuoksi. Tämä havainto inspiroi Illinois Graingerin insinöörejä luomaan tarkoituksella omia CDW-seiniä tyhjästä.

”Tarkistimme ferrosähköisten materiaalien historiaa ja kävi ilmi, että varausdomeeniseinät ovat tunnettu ilmiö jo vuosikymmeniä perinteisissä ferrosähköisissä materiaaleissa, jotka on valmistettu suurista kiteistä tai ohuista kalvoista”, van der Zande sanoi. ”Se oli ahaa-elämys – nämä tuntemamme asiat voivat olla olemassa, mutta kukaan ei ollut koskaan ajatellut, miten ne voisivat esiintyä 2D-materiaaleissa tai mitä ne voisivat tehdä.”

Nahid aloitti pinoamalla huolellisesti kaksi ultraohutta indiumselenidikiteestä valmistettua kerrosta, joiden polarisaatiot oli kiinnitetty vastakkaisiin suuntiin. Kun molemmat kerrokset yhdistettiin sähköisesti yhteiseen rajapintaansa, niiden vastakkaiset polariteetit synnyttivät suuren sähkövarauksen, joka veti liikkuvia elektroneja sisäänpäin ja muutti rajapinnan erittäin johtavaksi reitiksi.

Tuloksena oli hallittu, helposti saavutettava johtava kanava, jonka resistanssi oli suuruusluokkaa pienempi kuin aiemmissa rakenteissa, ja se toimi huoneenlämmössä ja voitiin käyttää transistorina säätämällä tilojen tiheyttä.

Illinoisin tutkijoiden lähestymistapaa voidaan käyttää neuromorfisten laitteiden kehittämiseen, jotka matkivat aivosolujen kykyä muuttua ja sopeutua.

Toisin kuin muut järjestelmät, joita rajoittaa joko alhainen johtavuus tai huono hallinta, 2D-ferrosähköisten materiaalien CDW:t osoittavat sekä korkeaa johtavuutta että hyvää ohjattavuutta.

”Olemme pohjimmiltaan avanneet kokonaan uuden luokan ferroelektristen materiaalien rajapintoja, joita ei ole koskaan ennen ollut”, van der Zande sanoi. ”Nyt yritämme integroida erilaisia ferroelektristen materiaalien yhdistelmiä.

Aiheesta aiemmin:

Elektronispinien kaksoismomentti vauhdittaa spintroniikkaa

Mikä on perovskiittisen aurinkokennon tehokkuuden perusta?

Magneettiset oktupolit voittavat antiferromagneettisia ongelmia