Een wetenschappelijk team van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy en de Vanderbilt University heeft de eerste experimentele observatie gedaan van een materiële fase die was voorspeld maar nooit gezien. De nieuw ontdekte fase koppelt aan een bekende fase om unieke controle over materiaaleigenschappen mogelijk te maken - een vooruitgang die de weg vrijmaakt voor eventuele manipulatie van elektrische geleiding in tweedimensionale (2-D) materialen zoals grafeen.

Het team deed de ontdekking met behulp van een gelaagde, koperhoudend kristal dat ferro-elektrisch is, of heeft een constante elektrische dipool die kan worden omgekeerd wanneer een elektrisch veld wordt aangelegd.

"Deze materialen kunnen bouwstenen worden van ultradunne energie- en elektronicatechnologieën, " zei Nina Balke van ORNL, een corresponderende auteur van een paper die de bevinding rapporteert in Natuurmaterialen .

De waarneming laat eigenschappen zien die kunnen worden benut om materialen nieuwe functies te geven. Deze eigenschappen zijn afhankelijk van de locaties van koperatomen in het kristal. De koperatomen kunnen ofwel in de lagen van het kristal zitten of worden verplaatst in de gaten tussen de lagen - de zogenaamde "van der Waals-gaten" - waar ze zwakke ionische bindingen maken met aangrenzende lagen en de nieuwe fase vormen.

De wetenschappers maten elektromechanische reacties door gelaagde ferro-elektrische kristallen van koper-indiumthiofosfaat, of CIP. Dit materiaal is piëzo-elektrisch, wat betekent dat de oppervlakken worden opgeladen wanneer het wordt uitgerekt of geperst. Omgekeerd, het toepassen van een elektrisch veld zorgt ervoor dat een piëzo-elektrisch materiaal uitzet of krimpt. De piëzo-elektrische eigenschappen van CIPS (CuInP ₂ S ₆ ) waren de sleutel om het experimenteel en theoretisch te bestuderen om de nieuwe verschijnselen te onthullen.

Het theoretisch onderzoek werd uitgevoerd door de groep van Sokrates Pantelides, een professor aan de Vanderbilt University en een vooraanstaande gastwetenschapper bij ORNL. Met behulp van kwantumberekeningen, groepsleden verplaatsten het atoom dat verantwoordelijk is voor polaire verplaatsing - koper - door de kristalstructuur en berekenden de potentiële energie. "Een typische uitkomst voor een ferro-elektrisch materiaal is dat je twee energieminima hebt, of 'putten, ' voor dit atoom; elk vertegenwoordigt een polarisatievector, een die naar boven wijst, de andere naar beneden, " zei Pantelides. "Voor dit materiaal, theorie voorspelde vier energieminima, wat zeer ongebruikelijk is."

Het onderzoeksteam ontdekte dat de twee extra energieminima voortkomen uit een tweede structurele fase met dubbele polarisatie-amplitude en met een stabiele positie voor het koperatoom in de van der Waals-spleet. Bovendien, de theoretisch voorspelde piëzo-elektrische constanten voor de twee polaire fasen in CIPS kwamen overeen met de experimenteel gemeten.

"Dit is de eerste gerapporteerde waarneming van de piëzo-elektrische en ferro-elektrische eigenschappen van de fase met hoge polarisatie, " zei Balken, de leidende experimentator in het team. "Het was bekend dat koper in het gat kan gaan, maar de gevolgen voor piëzo-elektrische en ferro-elektrische eigenschappen waren niet bekend. Maar op het einde, dat is wat de viervoudige goed vormt."

Sabine Neumayer, een lid van het ORNL-team, toegevoegd, "De viervoudige put biedt veel spannende kansen, vooral omdat we overgangen tussen deze vier verschillende polarisatietoestanden kunnen regelen met behulp van temperatuur, druk en elektrische velden." Meestal ferro-elektriciteit wordt gezien als schakelaars tussen twee toestanden. In CIPS, vier staten zijn toegankelijk.

"CIPS is een van de eerste ferro-elektrische materialen die van nature compatibel is met bijna alle 2D-materialen vanwege de van der Waals-structuur. Elke keer dat je van der Waals-krachten hebt, het betekent dat je 2D-materialen kunt samenvoegen en scheiden zonder grote structurele schade te veroorzaken, " Peter Maksymovitsj, een andere corresponderende auteur, zei. "De van der Waals-structuur maakt het mogelijk om bulkkristallen te splitsen om 2D-nanostructuren met schone oppervlakken te creëren."

Wetenschappers over de hele wereld racen om een ​​actieve interface te creëren voor 2D-materialen zoals grafeen, een enkel atoom dik materiaal met een zeer hoge elektronenmobiliteit. "We stellen ons voor dat in de toekomst, een actieve interface naar CIPS kan grafeen besturen via piëzo-elektrisch, ferro-elektrische en andere responsieve eigenschappen, "Zei Maksymovych. "Het zal de slimheid in grafeen stoppen."

Michael McGuire van ORNL's Materials Science and Technology Division groeide en karakteriseerde de kristallen van het onderzoek met Michael Susner, nu in het Air Force Research Laboratory. "De competitie en het naast elkaar bestaan ​​van meerdere fasen in de kristallen maakt deze materialen bijzonder spannend en interessant, " zei hij. "De mogelijkheid om complexe materialen zoals deze zowel theoretisch als experimenteel te bestuderen over een breed scala aan lengteschalen met complementaire technieken, maakt dit soort werk mogelijk bij ORNL."

De onderzoekers voerden experimenten uit bij ORNL's Centre for Nanophase Materials Sciences, waar onovertroffen instrumentatie en expertise nauwkeurige metingen en duidelijke analyse en interpretatie van complexe gegevens mogelijk maakten. De experimenten waren gebaseerd op piëzorespons-krachtmicroscopie (PFM) om ferro-elektrische domeinen af ​​te beelden en te controleren op schalen van miljoenste tot miljardste meters. Een scherpe geleidende sonde past een elektrisch veld toe op het oppervlak van een monster, en de elektromechanisch geïnduceerde vervorming van het materiaal wordt afgeleid uit de verplaatsing van de sonde.

"CNMS is 's werelds toonaangevende instelling in piëzoresponskrachtmicroscopie, "Zei Maksymovych. "Mensen komen hier van over de hele wereld om de eigenschappen van hun monsters te meten." Een grote aantrekkingskracht is nauw overleg met PFM-groepsleden die bijna een halve eeuw cumulatieve expertise leveren van innovators in PFM zoals Sergei Kalinin en Stephen Jesse, en topnamen in theorie, zoals Panchapakesan Ganesh en Sokrates Pantelides - alle auteurs van dit artikel. "Zonder die jarenlange expertise, de meting alleen heeft misschien niet geleid tot het samenhangende beeld dat we hebben gekregen, ' zei Balken.

Maksymovych heeft toegevoegd, "Het interpreteren van gegevens voor dubbele putten is een uitdaging. Viervoudige putten zijn nog complexer omdat je nu meerdere schakeleigenschappen hebt. De volgorde van uitzetting en samentrekking kan er bizar en onduidelijk uitzien. Alleen dankzij de inspanningen van Nina en Sabine werd de bizarheid genormaliseerd, zodat we het konden begrijpen precies wat er aan de hand is."

In toekomstige studies, de onderzoekers zullen dynamische eigenschappen onderzoeken - het observeren van verhoudingen van hoge en lage polarisatie in gespannen materialen; in beweging, stabiliseren en inbedden van atomen van de nieuwe fase om een ​​switch te maken; experimenteel indringend voorspeld gedrag van materialen onder druk; en bestuderen hoe ferro-elektrische domeinen zich heroriënteren nadat een elektrisch veld is aangelegd.

De titel van het artikel is "Afstembare quadruple-well ferro-elektrische van-der-Waals-kristallen."