Door de beweging van ladingsdragers (elektronen of gaten) tot twee dimensies te beperken, worden ongebruikelijke kwantumeigenschappen ontgrendeld, wat resulteert in bruikbare elektronische eigenschappen.

Hoewel we de lagen binnen dergelijke materialen '2-D' noemen, ze zijn niet strikt tweedimensionaal. De sleutel is de beperking van de beweging van een deeltje loodrecht op het vlak van het materiaal, een schaal die evenredig is met de de Broglie-golflengte van het deeltje.

In essentie, dit betekent het bereik van enkele honderden nanometers tot enkele nanometers.

Er valt veel te leren door precies te observeren bij welke dikte dergelijke nieuwe effecten optreden.

Een FLEET-studie die vorige week werd gepubliceerd in Fysieke beoordeling B kwantificeert het precieze overgangspunt in het veelbelovende materiaal wolfraam ditelluride (WTe2).

Afmetingen gevonden:

• WTe2 dunne films kruisen van 3D naar 2D elektronische systemen met een dikte van ~ 20 nm
• overlap tussen geleidings- en valentiebanden neemt af bij een dikte onder ~12 nm, wat impliceert dat zelfs dunnere samples een bandgap kunnen bereiken.

De studie begon onder FLEET CI Xiaolin Wang aan de Universiteit van Wollongong, met FLEET Research Fellow Dr. Feixiang Xiang bestudeert eerst de speciale elektronische structuur van bulk WTe2-monsters die leidt tot de zeer grote magnetoweerstand van het materiaal (eerder gepubliceerd).

Feixiang maakte vervolgens dunne films van verschillende dikte die van een enkel kristal werden gesplitst met behulp van micro-exfoliatie op een substraat.

Na studie van WTe2 dunne films bij UOW, Feixiang gebruikte UNSW-laboratoria om de apparaten van dunnefilmmonsters te fabriceren en transportmetingen uit te voeren met behulp van meetfaciliteiten voor ultralage temperaturen en hoge magnetische velden.

Uitlijningsmarkeringen, elektroden, en bonding pads werden vervaardigd door E-beam lithografie.

Hoekafhankelijke kwantumoscillatiemetingen werden uitgevoerd in zeer hoge magnetische velden in het laboratorium van FLEET CI Alex Hamilton bij UNSW, onthullen hoe de bandstructuur van het materiaal veranderde met afnemende dikte, met een 3D–2-D crossover wanneer de monsterdikte onder 26 nm was verminderd.

"Deze bevinding was erg belangrijk, " zegt Feixiang Xiang, die de studie leidde bij zowel UOW als UNSW, "omdat het twee kritische lengteschalen van de dikteafhankelijke elektronische structuur in WTe2-dunne films vastlegt."

Analyse gaf aan dat het gebied van Fermi-pockets afneemt in dunnere monsters, wat suggereert dat de overlap tussen de geleidingsband en de valentieband kleiner wordt. Dit verklaart niet alleen de gemeten afname van de dragerdichtheid in een dunner monster, het suggereert dat het mogelijk is om een ​​bandgap te openen en de 2D-topologische isolator te realiseren in zelfs dunne monsters, zoals door de theorie is voorspeld, en waargenomen in verwante verbindingen (MoS2 en MoTe2).

Tungsten ditelluride (WTe2) is een gelaagd, overgangsmetaal dichalcogenide met een aantal veelbelovende eigenschappen:

• extreem grote magnetoweerstand, met potentieel voor gebruik in magnetische sensoren
• bulk WTe2 voorspeld als een type II Weyl-halfmetaal
• monolaag WTe2 is een topologische isolator op hoge temperatuur, een supergeleider, en een ferro-elektrische.

Overgangsmetaal dichalcogeniden (TMD's) zijn een klasse van van der Waals materialen, bestaande uit vele atomair dunne atomaire lagen gebonden door zwakke intermoleculaire krachten.

We noemen TMD's '2-D' vanwege deze gelaagde kristalstructuur.

Het beperken van de beweging van ladingsdragers tot twee dimensies resulteert in zeer verschillende elektronische eigenschappen in vergelijking met 3D 'bulk'-materialen, wat ook suggereert dat meer, verschillende fysieke eigenschappen kunnen optreden bij de monolaaglimiet - het overgangspunt van 3D naar 2D.

De studie Dikteafhankelijke elektronische structuur in WTe2 dunne films werd in juli 2018 gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review B van de American Physical Society.