Om te zien wat het exotische gedrag in sommige atomair dunne - of 2D - materialen drijft, en ontdek wat er gebeurt als ze worden gestapeld als Legoblokjes in verschillende combinaties met andere ultradunne materialen, wetenschappers willen hun eigenschappen op de kleinst mogelijke schaal observeren.

Voer MAESTRO in, een platform van de volgende generatie voor röntgenexperimenten bij de Advanced Light Source (ALS) van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (Berkeley Lab), dat biedt nieuwe microschaalweergaven van deze vreemde 2D-wereld.

In een studie gepubliceerd op 22 januari in het tijdschrift Natuurfysica , onderzoekers richtten zich op handtekeningen van exotisch gedrag van elektronen in een 2D-materiaal met resolutie op microschaal.

De nieuwe inzichten uit deze experimenten laten zien dat de eigenschappen van het 2D halfgeleidermateriaal dat ze bestudeerden, wolfraamdisulfide (WS2) genoemd, kan zeer afstembaar zijn, met mogelijke toepassingen voor elektronica en andere vormen van informatieopslag, verwerken, en overdracht.

Die toepassingen kunnen next-gen apparaten zijn die voortkomen uit opkomende onderzoeksgebieden zoals spintronica, excitonics en valleytronics. In deze velden, onderzoekers proberen eigenschappen zoals momentum en energieniveaus in de elektronen van een materiaal en tegenhangerdeeltjes te manipuleren om informatie efficiënter te vervoeren en op te slaan - analoog aan het omdraaien van enen en nullen in conventioneel computergeheugen.

Spintronica, bijvoorbeeld, vertrouwt op de controle van een inherente eigenschap van elektronen die bekend staat als spin, in plaats van hun lading; excitonics zouden ladingsdragers in apparaten kunnen vermenigvuldigen om de efficiëntie van zonnepanelen en LED-verlichting te verbeteren; en valleytronics zou scheidingen in de elektronische structuren van een materiaal gebruiken als afzonderlijke vakjes of "valleien" voor het opslaan van informatie.

Het signaal dat ze met MAESTRO (Microscopic and Electronic Structure Observatory) hebben gemeten, onthulde een aanzienlijk grotere splitsing tussen twee energieniveaus, of "banden, " geassocieerd met de elektronische structuur van het materiaal. Deze verhoogde splitsing is een goed voorteken voor het mogelijke gebruik ervan in spintronica-apparaten.

Van WS2 is al bekend dat het een sterke wisselwerking heeft met licht, te. De nieuwe bevindingen, in combinatie met zijn eerder bekende eigenschappen, maken het een veelbelovende kandidaat voor opto-elektronica, waarin elektronica kan worden gebruikt om het vrijkomen van licht te regelen, en vice versa.

"Deze eigenschappen kunnen technologisch zeer opwindend zijn, " zei Chris Jozwiak, een ALS-stafwetenschapper die de studie leidde. Het laatste onderzoek "toont in principe het vermogen aan om deze belangrijke eigenschappen te veranderen met toegepaste elektrische velden in een apparaat."

Hij voegde toe, "Het vermogen om de kenmerken van de elektronische structuren van dit en andere materialen te engineeren, zou erg nuttig kunnen zijn om sommige van deze mogelijkheden waar te maken. We staan ​​​​nu op het punt om een ​​enorme verscheidenheid aan materialen te kunnen bestuderen, en om hun elektronische gedrag te meten en te bestuderen hoe deze effecten zich ontwikkelen op nog kleinere schaal."

De studie suggereert ook dat trions, die exotische combinaties van drie deeltjes zijn van elektronen en excitonen (gebonden elektronenparen en hun tegengesteld geladen tegenhanger "gaten"), zou de effecten kunnen verklaren die ze in het 2D-materiaal hebben gemeten. Gaten en elektronen dienen beide als ladingsdragers in halfgeleiders die in populaire elektronische apparaten worden aangetroffen.

Onderzoekers gebruikten een vorm van ARPES (angle-resolved photoemission spectroscopie) bij de MAESTRO-bundellijn om elektronen uit monsters met röntgenstralen weg te schoppen en meer te weten te komen over de elektronische structuur van de monsters uit de richting en energie van de uitgeworpen elektronen. De techniek kan oplossen hoe de elektronen in het materiaal met elkaar omgaan.

"Er zijn zeer weinig directe waarnemingen van een deeltje dat in wisselwerking staat met twee of meer andere deeltjes, " zei Eli Rotenberg, een senior stafwetenschapper bij ALS die meer dan een decennium geleden MAESTRO bedacht. Het werd gebouwd met het doel om dergelijke "veel-lichaams"-interacties rechtstreeks in detail te observeren, die voorheen niet mogelijk waren, hij zei. "Dit is waar we voor gingen toen we de MAESTRO-bundellijn bouwden."

MAESTRO, die in 2016 openging voor wetenschappers, beschikt ook over verschillende stations waarmee onderzoekers monsters voor röntgenonderzoek kunnen fabriceren en manipuleren, terwijl de ongerepte omstandigheden behouden blijven die ze beschermen tegen besmetting. MAESTRO is een van de tientallen röntgenbundellijnen bij de ALS die gespecialiseerd zijn voor monsters variërend van eiwitten en vaccins tot batterijen en meteorieten.

Naast de nauwkeurige metingen van MAESTRO, de zorgvuldige voorbereiding van de wolfraamdisfulfidevlokken in voldoende grootte voor studie, en hun overdracht naar een basismateriaal (substraat) dat hun elektronische eigenschappen niet belemmerde of de röntgenmetingen belemmerde, was ook van vitaal belang voor het succes van de laatste studie, merkte Jozwiak op.

Jyoti Katoch, de hoofdauteur van de studie en een onderzoekswetenschapper aan de Ohio State University, zei, "Tweedimensionale materialen zijn extreem gevoelig voor hun omgeving, dus het is absoluut noodzakelijk om de rol van externe verstoringen die hun eigenschappen beïnvloeden volledig te begrijpen."

Katoch werkte samen met Roland Kawakami, een natuurkundeprofessor aan de Ohio State, bij het voorbereiden van de monsters en het ontwerpen van het experiment. Ze koppelden monsters van WS2 aan boornitride, die een stabiele, niet-interactief platform dat cruciaal was voor de röntgenmetingen. Daarna gebruikten ze een metaal als een "externe knop" om de eigenschappen van de WS2 te wijzigen.

"Deze studie maakt twee cruciale doorbraken mogelijk:het biedt een duidelijk fundamenteel begrip van hoe externe effecten kunnen worden verwijderd bij het meten van de intrinsieke eigenschappen van 2D-materialen, en het stelt ons in staat om de eigenschappen van 2D-materialen af ​​te stemmen door simpelweg hun omgeving aan te passen."

Søren Ulstrup, een assistent-professor aan de universiteit van Aarhus die als postdoctoraal onderzoeker aan de WS2 MAESTRO-experimenten had gewerkt, toegevoegd, "Het zien van de intrinsieke elektronische eigenschappen van de WS2-samples was een belangrijke stap, maar misschien kwam de grootste verrassing van deze studie naar voren toen we het aantal elektronen in het systeem begonnen te verhogen - een proces dat doping wordt genoemd.

"Dit leidde tot de dramatische verandering van de splitsing in de bandstructuur van WS2, " hij zei, wat de aanwezigheid van trions suggereert.

MAESTRO kan zeer kleine steekproeven aan, in de orde van tientallen microns, merkte Rotenberg op, wat ook een sleutel is bij het bestuderen van dit en andere 2D-materialen. "Er is een grote druk om de eigenschappen van materialen op kleinere en kleinere schaal op te lossen, " hij zei, om de fundamentele eigenschappen van 2D-materialen beter te begrijpen, en wetenschappers werken er nu aan om MAESTRO's mogelijkheden te pushen om nog kleinere functies te bestuderen - tot op nanoschaal.

Er is een versnelde R&D in het stapelen van 2D-lagen om hun eigenschappen aan te passen voor gespecialiseerde toepassingen, Jozwiak zei, en MAESTRO is zeer geschikt om de elektronische eigenschappen van deze gestapelde materialen te meten, te.

"We kunnen een zeer expliciete impact op eigenschappen zien door twee materialen te combineren, en we kunnen zien hoe deze effecten veranderen als we veranderen welke materialen we combineren, " hij zei.

"Er is een eindeloze reeks mogelijkheden in deze wereld van '2-D Lego's, ' en nu hebben we weer een kijkje in dit fascinerende gedrag."