Alle elementen zijn er om mee te beginnen, bij wijze van spreken; het is gewoon een kwestie van uitzoeken waartoe ze in staat zijn - alleen of samen. Voor het lab van Leslie Schoop, een recent dergelijk onderzoek heeft een gelaagde verbinding blootgelegd met een drietal eigenschappen waarvan voorheen niet bekend was dat ze in één materiaal bestonden.

Met een internationaal interdisciplinair team, Schop, assistent-professor scheikunde, en postdoctoraal onderzoeksmedewerker Shiming Lei, publiceerde vorige week een paper in wetenschappelijke vooruitgang melden dat het van der Waals-materiaal gadolinium tritelluride (GdTe3) de hoogste elektronische mobiliteit vertoont van alle bekende gelaagde magnetische materialen. In aanvulling, het heeft magnetische volgorde, en kan gemakkelijk worden geëxfolieerd.

gecombineerd, deze eigenschappen maken het een veelbelovende kandidaat voor nieuwe gebieden zoals magnetische twistronische apparaten en spintronica, evenals vooruitgang in gegevensopslag en apparaatontwerp.

Het team van Schoop ontdekte deze unieke kenmerken begin 2018 kort na de start van het project. Hun eerste succes was door aan te tonen dat GdTe3 gemakkelijk kan worden geëxfolieerd tot ultradunne vlokken onder de 10 nm. Vervolgens, het team besteedde twee jaar aan het verfijnen van de zuiverheid van de materiële kristallen tot een staat die alleen diende om de resultaten te versterken. Het laboratorium heeft al een aantal monsters verzonden naar onderzoekers die graag willen onderzoeken hoe de verbinding past in een categorie die voorheen alleen werd ingenomen door zwarte fosfor en grafiet. Hoge mobiliteit is zeldzaam in gelaagde materialen.

De eigenschappen die in de studie worden beschreven, beschreven als kwantumoscillaties of "wiggles" die kunnen worden gemeten, zijn zo uitgesproken dat ze werden waargenomen zonder de speciale sondes en apparatuur die gewoonlijk in nationale laboratoria worden aangetroffen.

"Gebruikelijk, als je deze trillingen ziet, het hangt gedeeltelijk af van de kwaliteit van uw monster. We gingen echt zitten en maakten de best mogelijke kristallen. In de loop van twee jaar hebben we de kwaliteit verbeterd, zodat deze schommelingen steeds dramatischer werden, " zei Schoop. "Maar de eerste monsters lieten ze al zien, hoewel we met de eerste kristallen die we groeiden niet precies wisten wat we aan het doen waren, ' zei Schoop.

"Het was erg spannend voor ons. We zagen deze resultaten van zeer mobiele elektronen in dit materiaal die we niet hadden verwacht. Natuurlijk hoopten we op goede resultaten. Maar ik had niet verwacht dat het zo dramatisch zou zijn, ', voegde Schoop eraan toe.

Lei typeerde het nieuws als een "doorbraak", grotendeels vanwege de hoge mobiliteit. "Het toevoegen van dit materiaal aan de dierentuin van 2-D van der Waals-materialen is als het toevoegen van een nieuw ontdekt ingrediënt voor koken, waardoor nieuwe smaken en gerechten ontstaan, " hij zei.

"Dus eerst, je haalt deze materialen eruit. Het volgende is het identificeren van het potentieel:wat is de functie van het apparaat dat je ervan kunt maken? Wat is de prestatie die we verder kunnen verbeteren als een volgende generatie materialen in deze lijn?"

Een zeldzame-aarde tritelluride, GdTe3 heeft een dragermobiliteit van meer dan 60, 000 cm2V-1s-1. Dit betekent dat als een veld van één volt per cm op het materiaal wordt aangelegd, de elektronen bewegen met een netto snelheid van 60, 000cm per seconde. om te vergelijken, mobiliteiten in andere magnetische materialen blijken vaak slechts een paar honderd cm2V-1s-1 te zijn.

"Een hoge mobiliteit is belangrijk omdat dit betekent dat elektronen in de materialen met hoge snelheden kunnen reizen met minimale verstrooiing, waardoor de warmteafvoer van alle elektronische apparaten die eruit zijn gebouwd, wordt verminderd, " zei Lei.

Van der Waals-materialen - waarin de lagen zijn gebonden door een zwakke kracht - zijn de moederverbindingen van 2D-materialen. Onderzoekers bestuderen ze voor de fabricage van apparaten van de volgende generatie en ook voor gebruik in twistronics, pas een paar jaar geleden voor het eerst beschreven in de wetenschappelijke gemeenschap. Met twistronics, de lagen van 2D-materialen zijn niet goed uitgelijnd of gedraaid als ze op elkaar liggen. De oordeelkundige verkeerde uitlijning van het kristalrooster kan elektrische, optische en mechanische eigenschappen op manieren die nieuwe mogelijkheden voor toepassingen kunnen opleveren.

In aanvulling, zo'n 15 jaar geleden werd ontdekt dat van der Waals-materialen tot in de dunste laag konden worden geëxfolieerd met zoiets gewoons als plakband. Deze onthulling bracht veel nieuwe ontwikkelingen in de natuurkunde teweeg. Eindelijk, Van 2D-materialen is pas onlangs onthuld dat ze magnetische orde vertonen, waarin de spins van elektronen op elkaar zijn uitgelijnd. Alle "dunne" apparaten - harde schijven, zijn bijvoorbeeld gebaseerd op materialen die magnetisch op verschillende manieren worden geordend en die verschillende efficiënties opleveren.

"We hebben dit materiaal gevonden waar de elektronen doorheen schieten als op een snelweg - perfect, Heel makkelijk, snel, "zei Schoop. "Het hebben van deze magnetische orde en het potentieel om naar twee dimensies te gaan is gewoon iets dat uniek nieuw was voor dit materiaal."

De resultaten van het onderzoek zijn een sterk bewijs voor het jonge lab van Schoop, iets meer dan twee jaar geleden opgericht. Ze zijn het product van een samenwerking met het Princeton Centre for Complex Materials, een NSF-gefinancierd Materials Research Science and Engineering Center, en co-auteurs Nai Phuan Ong, Sanfeng Wu, en Ali Yazdani, alle faculteit met Princeton's Department of Physics.

Om de elektronische en magnetische eigenschappen van GdTe3 volledig te begrijpen, het team werkte ook samen met Boston College voor exfoliatietests, en Argonne National Laboratory en het Max Planck Institute for Solid State Research om de elektronische structuur van het materiaal te begrijpen met behulp van synchrotonstraling.

Vanuit een breder perspectief, wat Schoop het meest tevreden stelde over het onderzoek, was de "chemische intuïtie" die het team ertoe bracht om het onderzoek met GdTe3 in de eerste plaats te beginnen. Ze vermoedden dat er veelbelovende resultaten zouden zijn. Maar het feit dat GdTe3 ze zo snel en nadrukkelijk opleverde, is een teken, zei Schoop, dat de chemie een belangrijke bijdrage kan leveren op het gebied van de vastestoffysica.

"We zijn een groep op de scheikundeafdeling en we kwamen erachter dat dit materiaal interessant zou moeten zijn voor zeer mobiele elektronen op basis van chemische principes, " zei Schoop. "We dachten na over hoe de atomen in deze kristallen waren gerangschikt en hoe ze aan elkaar moesten worden gebonden, en niet gebaseerd op fysieke middelen, wat vaak de energie van elektronen begrijpt op basis van Hamiltonianen.

"Maar we hebben het heel anders aangepakt, veel meer gerelateerd aan het tekenen van afbeeldingen, zoals chemici doen, gerelateerd aan orbitalen en dat soort dingen, " zei ze. "En we waren succesvol met deze aanpak. Het is gewoon zo'n unieke en andere benadering van het denken over spannende materialen."