Transistori muokkaa 2D-materiaalin elektronisia ominaisuuksia

Vierasionien interkalaatio kerroksellisen materiaalin van der Waalsin (vdW) rakoon on tehokas tapa luoda uusia materiaalifaaseja ja toimintoja.

Oikean kaliumionien määrän puristaminen molybdeenidisulfidin atomikerrosten väliin voi muuttaa sen puolijohteesta metalliksi, suprajohteeksi tai eristeeksi

Sama kerrosmateriaali voidaan saada toimimaan suprajohteena, metallina, puolijohteena tai eristeenä käyttämällä RIKENn fyysikkojen kehittämää transistorirakennetta säätelemään sen elektronisia ominaisuuksia.

"Yhteen materiaaliin perustuvien elektronisten ominaisuuksien moninaisuus on meille erittäin kiehtova materiaalitieteen näkökulmasta", sanoo tiimiä johtanut Yoshihiro Iwasa RIKEN Center for Emergent Matter Science -keskuksesta.

Molybdeenidisulfidia (MoS2) voidaan eristää erittäin ohuena kiteenä, joka sisältää rikkiatomien kerrostamia molybdeeniatomeja. Nämä rikkiatomit voidaan järjestää eri tavoin, jolloin muodostuu kaksi erillistä faasia, jotka tunnetaan nimellä 2H ja 1T. 2H-faasi on puolijohde, kun taas 1T- faasi on metallista.

"2H-molybdeenidisulfidi on erittäin lupaava käytettäväksi seuraavan sukupolven puolijohderakenteissa", toteaa Iwasa.

RIKEN-tutkijat ovat nyt tutkineet tätä faasimuutosta tarkemmin. He rakensivat kenttävaikutustransistorina tunnetun rakenteen ja liittivät sen 2H - molybdeenidisulfidinäytteeseen (kuva). Vaihtelemalla transistorin jännitettä he pystyivät ohjaamaan kaliumioneja tarkasti materiaaliin.

Kun materiaaliin tuli enemmän kaliumia, materiaalin faasi muuttui yhtäkkiä 2H:sta 1T:ksi – kun suunnilleen viittä molybdeeniatomia kohti oli kaksi kalium-ionia. Sitten, lisäämällä oikea määrä kaliumia ja jäähdyttämällä näyte -268 °C:seen, tutkijat havaitsivat, että 1T- faasista tuli suprajohde.

Vaikka suprajohtavuus oli aiemmin nähty 2H-faasissa, tämä oli odottamatonta 1T- faasissa, ja se tapahtui eri lämpötilassa. "Suurin yllätys meille on se, että havaitsimme suprajohtavuuden, kun otimme käyttöön kaliumioneja", Iwasa sanoo.

Lisää yllätyksiä ilmeni. Materiaali muuttui metallista eristeeksi, kun tutkijat antoivat kaliumin vuotaa ulos 1T molybdeenidisulfidista, kunnes se sisälsi suhteellisen vähän ioneja ja asettui lämpötilaan -193 °C:een.

"Pidimme tämän mielenkiintoisena, koska emme odottaneet tämän ilmiön tapahtuvan", Iwasa sanoo.

Nämä tulokset osoittavat, että kalium-ionien käyttäminen tällä tavalla on tehokas menetelmä kaksiulotteisten materiaalien, kuten molybdeenidisulfidin, rakenteen ja ominaisuuksien hallitsemiseksi.

"Olemme kehittäneet tätä menetelmää viimeisen vuosikymmenen aikana", Iwasa sanoo. "Ja olemme osoittaneet, että se on hyödyllinen paitsi suprajohteiden ja niihin liittyvien elektronisten vaiheiden uusien ominaisuuksien tutkimiseen, myös uusien suprajohteiden löytämiseen."

Aiheesta aiemmin:

Upotetaan piitä 2D-materiaaleihin

Kaksiulotteisia magneetteja tietotekniikalle

Interkalatoitu pseudokapasitanssi