Eerder controversiële waarden van de energiekloof van een van der Waals-materiaal - chroomtribromide - werden gerapporteerd op basis van verschillende optische metingen. Een faculteitslid van de Universiteit van Wyoming en zijn onderzoeksteam gebruikten scanning tunneling microscopie en spectroscopiemetingen die duidelijk een veel kleinere energiekloofwaarde aan het licht brachten en de controverse opgelost.

"Onze resultaten beslechtten een lange controverse over één belangrijke materiaaleigenschap:de energiekloof van het materiaal, " zegt TeYu Chien, een universitair hoofddocent bij de afdeling Natuur- en Sterrenkunde van de UW. "Onze scanning tunneling microscopie en spectroscopie metingen onthulden duidelijk dat de energiekloof ongeveer 0,3 elektron volt (eV) is, die veel kleiner is dan die gemeten met optische methoden, die varieerde van 1,68 tot 2,1 eV."

Chien zegt dat de gegevens van zijn team die eerdere optische metingen verder verklaren als de overgangen van verschillende geleidings- en valentiebandkenmerken in plaats van het detecteren van de energiekloof van het materiaal.

Van der Waals-materialen zijn opgebouwd uit sterk verbonden tweedimensionale lagen die in de derde dimensie worden gebonden door zwakkere van der Waals-krachten. Bijvoorbeeld, grafiet is een van der Waals materiaal dat in de industrie veel wordt gebruikt in elektroden, smeermiddelen, vezels, warmtewisselaars en batterijen. De aard van de van der Waals-krachten tussen lagen stelt onderzoekers in staat om plakband te gebruiken om de lagen tot atomaire dikte af te pellen.

Chien is de corresponderende auteur van een paper, getiteld "Kleine energiekloof onthuld in CrBr ₃ door Scanning Tunneling Spectroscopie, " dat werd gepubliceerd op 8 december in Fysische chemie Chemische fysica . Het papier is geselecteerd in de "hot artikelen, " een themacollectie met het populairste werk gepubliceerd in Fysische chemie Chemische fysica . Dit werk zal ook te zien zijn op de buitenomslag van de komende gedrukte editie.

Dinesh Baral, een afgestudeerde UW-student uit Nepal, was de hoofdauteur van het artikel. Hij voerde de experimentele werkzaamheden uit op het gebied van scanning tunneling microscopie en spectroscopiemeting, en data-analyse. Andere onderzoekers die hebben bijgedragen aan het artikel zijn assistent-professor Jifa Tian, Professor Yuri Dahnovsky en Jinke Tang, een professor en afdelingsvoorzitter, allemaal van de afdeling Natuur- en Sterrenkunde van UW.

Afgestudeerde studenten die bij het onderzoek betrokken waren, waren onder meer Zhuangen Fu en Aaron Wang, beide uit China; Uppalaiah Erugu, van Indië; Rabindra Dulal en Narendra Shrestha, beide van Nepal; en Andrei Zadorozhnyi, van Rusland.

Sinds het eerste geïsoleerde grafeen - atomair dun grafiet - in 2004, diverse van der Waals materialen met eigenschappen van metaal, halfmetaal, halfgeleider, isolator en supergeleider zijn bevestigd. De magnetische van der Waals-materialen kwamen pas in 2017 bij de grafeenfamilie.

Chroomtrihalogeniden zijn een familie van de belangrijkste magnetische materialen van Van der Waals en zijn gebruikt om het potentieel voor spintronische toepassingen te onderzoeken, waarin het magnetische moment van het elektron wordt gebruikt voor computergebruik en informatieopslag in plaats van de ladingseigenschappen van de elektronen te gebruiken voor conventionele elektronica.

Omdat van der Waals-materialen zeer zwakke interlaaginteracties en relatief sterkere atoom-tot-atoombindingen tussen de lagen hebben, hierdoor kunnen onderzoekers ze schillen en stapelen voor elke combinatie van materialen op atomaire dikte.

"Dit pellen van de van der Waals-materialen is als het pellen van de uienschillen, maar op atomair niveau, ' legt Baral uit.

Scanning tunneling microscopie en spectroscopie is een beeldvormingstool die in staat is om atomaire resolutiebeelden te meten, samen met de elektronische eigenschappen in die schaal. Chroomtribromidevlokken werden van het bulkkristal afgepeld tot een atomair dunne dikte en overgebracht op een geleidend substraat, zoals hooggeoriënteerd pyrolytisch grafiet, voor de studie.

"Het begrip van de energiekloof van chroomtribromide lost de bestaande controverse voor de wetenschappelijke gemeenschap op, " zegt Chien. "Dit is ook de sleutel tot een betere controle van de spintronica-apparaten met chroomtribromide."

De resultaten van de studie zullen onderzoekers een beter begrip geven van dit belangrijke materiaal voor toepassingen in spintronica en kwantummaterialen, zegt Chien.

"Materialen met dergelijke eigenschappen hebben potentiële toepassingen in de techniek om de grootte van de elektronische en spintronische apparaten tot op atomair niveau te minimaliseren, " hij zegt.