Monimuotoisia kaksiulotteisia

Germanaani muunnetaan germaneeniksi lämpökäsittelyllä, joka poistaa materiaalista vedyn (punainen). Illustration Ye Lab / University of Groningen

Germaneeni on grafeenin tapainen kaksiulotteinen materiaali, joka on peräisin germaniumista. Koska se ei ole vakaa tyhjiökammioiden ulkopuolella, jossa se on tuotettu, sen sähköisiä ominaisuuksia ei ole aiemmin saatu mitattua.

Groningenin yliopiston professori Justin Yen johtamat tutkijat ovat nyt onnistuneet tuottamaan rakenteita, joissa esiintyy vakaa germaneeni. Materiaali on eriste ja siitä tulee puolijohde kohtuullisen lämmityksen ja erittäin hyvä metallinen johdin ja vielä vahvemman lämmityksen jälkeen.

Germaneeni valmistetaan germaniumista kalsiumin lisäyksellä. Kalsiumionit luovat 2D-kerroksia kolmiulotteisesta kiteestä ja korvautuvat sitten vedyllä. Syntyneitä kaksiulotteisia germaniumin ja vedyn kerroksia kutsutaan germanaaniksi. Mutta kun vety poistetaan germaneenin muodostamiseksi, materiaali muuttuu epävakaaksi.

Te ja hänen kollegansa ratkaisivat tämän ongelman erittäin yksinkertaisella tavalla. He tekivät rakenteita, joilla oli vakaa germanaani ja sitten kuumensivat materiaalia vedyn poistamiseksi. Tämä johti stabiileihin germaneenirakenteisiin, joiden ansiosta tutkijat voivat tutkia sen elektronisia ominaisuuksia.

Germaneeni voi siis olla eriste, puolijohde tai metallijohde lämpökäsittelystä riippuen. Se pysyy vakaana sen jälkeen, kun se on jäähdytetty huoneenlämpötilaan.

Germaneeni voisi olla kiinnostava spintronisten laitteiden rakentamisessa. Grafeeni on erinomainen elektronin spinien johde, mutta siinä on vaikea hallita spinejä, koska niillä on heikko vuorovaikutus hiiliatomien kanssa (spin-kiertorata kytkentä).

”Germaniumin atomit ovat raskaampia, mikä tarkoittaa, että spin-kiertorata kytkentä on vahvempi”, sanoo Ye. Tämä antaisi paremman spinien hallinnan. Sen vuoksi, että pystytään rakentamaan metallinen germaneeni, jolla on sekä erinomainen johtavuus että voimakas spin-kiertorata kytkentä, olisi se kehityskelpoinen tie spintronisiin laitteisiin.

Cambridgen yliopiston johtamien kansainvälisien tutkijoiden puolestaan löytämä magneettinen ”grafeeni” vaihtaa olemustaan eristeen ja johtimen välillä korkea paineen avulla.

Magneettinen rauta-tritiohypofosfaatti (FePS3) on van der Waalsin materiaaleja. Samoin kuin grafeeni FePS3 voidaan "kuoria" ultra-ohuiksi kerroksiksi.

Paineen alaisena kuoritut kerrokset muuttuvat eristeestä johteeksi mutta kaksiulotteisenakin se säilyy magneettisena. Työ viittaa mahdollisuuteen tuottaa kaksiulotteisia materiaaleja, joissa on viritettävät ja yhdistetyt sähköiset, magneettiset ja elektroniset ominaisuudet. Sellaiset olisivat omiaan tulevaisuuden muistipiireissä.

Aiheesta aiemmin:

Elektroniikan kaksiulotteinen tulevaisuus

Magneettinen monopoli havaittu