Dezelfde elektrostatische lading die haar overeind kan doen staan ​​en ballonnen aan kleding kan bevestigen, zou een efficiënte manier kunnen zijn om atomair dunne elektronische geheugenapparaten van de toekomst aan te drijven. volgens een nieuwe studie onder leiding van onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy.

In een onderzoek dat vandaag in het tijdschrift is gepubliceerd: Natuur , wetenschappers hebben een manier gevonden om de atomaire structuur van een 2D-materiaal omkeerbaar te veranderen door te injecteren, of "dopen, " het met elektronen. Het proces gebruikt veel minder energie dan de huidige methoden om de configuratie van de structuur van een materiaal te veranderen.

"We laten zien, Voor de eerste keer, dat het mogelijk is om elektronen te injecteren om structurele faseveranderingen in materialen aan te sturen, " zei hoofdonderzoeker Xiang Zhang, senior faculteitswetenschapper bij de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en een professor aan UC Berkeley. "Door elektronen aan een materiaal toe te voegen, de totale energie gaat omhoog en zal de balans doen omslaan, waardoor de atomaire structuur zich herschikt naar een nieuw patroon dat stabieler is. Dergelijke door elektronendoping aangedreven structurele faseovergangen bij de 2-D-limiet zijn niet alleen belangrijk in de fundamentele fysica; het opent ook de deur voor nieuw elektronisch geheugen en energiezuinig schakelen in de volgende generatie ultradunne apparaten."

Het omschakelen van de structurele configuratie van een materiaal van de ene fase naar de andere is de fundamentele, binaire eigenschap die ten grondslag ligt aan de huidige digitale circuits. Elektronische componenten die in staat zijn tot deze faseovergang zijn gekrompen tot flinterdunne formaten, maar ze worden nog steeds als bulk beschouwd, 3D-lagen door wetenschappers. Ter vergelijking, 2-D monolaagmaterialen zijn samengesteld uit een enkele laag atomen of moleculen met een dikte van 100, 000 keer zo klein als een mensenhaar.

"Het idee van elektronendoping om de atomaire structuur van een materiaal te veranderen, is uniek voor 2D-materialen, die veel beter elektrisch afstembaar zijn in vergelijking met 3D bulkmaterialen, " zei mede-hoofdauteur Jun Xiao, een afgestudeerde student in het lab van Zhang.

De klassieke benadering om de structurele overgang van materialen aan te sturen, omvat verwarming tot boven de 500 graden Celsius. Dergelijke methoden zijn energie-intensief en niet haalbaar voor praktische toepassingen. In aanvulling, de overtollige warmte kan de levensduur van componenten in geïntegreerde schakelingen aanzienlijk verkorten.

Een aantal onderzoeksgroepen heeft ook het gebruik van chemicaliën onderzocht om de configuratie van atomen in halfgeleidermaterialen te veranderen, maar dat proces is nog steeds moeilijk te beheersen en is nog niet op grote schaal door de industrie overgenomen.

"Hier gebruiken we elektrostatische doping om de atomaire configuratie van een tweedimensionaal materiaal te controleren, " zei studie co-hoofdauteur Ying Wang, een andere afgestudeerde student in het lab van Zhang. "Vergeleken met het gebruik van chemicaliën, onze methode is omkeerbaar en vrij van onzuiverheden. Het heeft een groter potentieel voor integratie in de productie van mobiele telefoons, computers en andere elektronische apparaten."

De onderzoekers gebruikten molybdeen ditelluride (MoTe2), een typische 2D-halfgeleider, en bedekt met een ionische vloeistof (DEME-TFSI), die een ultrahoge capaciteit heeft, of het vermogen om elektrische ladingen op te slaan. Door de laag ionische vloeistof konden de onderzoekers de halfgeleider injecteren met elektronen met een dichtheid van honderd biljoen tot een quadriljoen per vierkante centimeter. Het is een elektronendichtheid die een tot twee orden hoger is dan wat zou kunnen worden bereikt in 3D-bulkmaterialen, aldus de onderzoekers.

Door middel van spectroscopische analyse, de onderzoekers hebben vastgesteld dat de injectie van elektronen de opstelling van de atomen van het molybdeen ditelluride veranderde van een zeshoekige vorm in een monokliene vorm, die meer een schuine balkvorm heeft. Nadat de elektronen waren teruggetrokken, de kristalstructuur keerde terug naar zijn oorspronkelijke hexagonale patroon, waaruit blijkt dat de faseovergang omkeerbaar is. Bovendien, deze twee soorten atoomarrangementen hebben zeer verschillende symmetrieën, biedt een groot contrast voor toepassingen in optische componenten.

"Zo'n atomair dun apparaat zou dubbele functies kunnen hebben, tegelijkertijd dienst doen als optische of elektrische transistoren, en daarmee de functionaliteiten van de elektronica die in ons dagelijks leven wordt gebruikt, te verbreden, " zei Wang.