Wetenschappers hebben onlangs onthuld, zowel theoretisch als experimenteel, dat germaniumatomen zichzelf kunnen rangschikken in een 2-D "bi-driehoekig" rooster op dunne zirkoniumdiboride-films gegroeid op germanium-enkelkristallen om een ​​"vlak bandmateriaal" te vormen met een ingebed "kagome" -rooster. Het resultaat biedt experimentele ondersteuning voor een theoretische voorspelling van platte banden die voortkomen uit triviale atomaire geometrie en geeft de mogelijkheid aan van hun bestaan ​​in veel meer materialen.

De menselijke geest wordt van nature aangetrokken tot objecten die symmetrie bezitten; in feite, het begrip schoonheid wordt vaak verward met symmetrie. In de natuur, niets belichaamt symmetrie meer dan kristallen. Sinds hun ontdekking, kristallen hebben veel aandacht getrokken, niet alleen door hun unieke "symmetrische" esthetische aantrekkingskracht, maar ook door hun unieke eigenschappen. Een van deze eigenschappen is het gedrag van elektronen in een kristal. Fysiek gezien, een elektron in een kristal kan volledig worden gekenmerkt door zijn energie en een hoeveelheid die "kristalmomentum" wordt genoemd, " wat betrekking heeft op hoe snel het elektron in een kristal beweegt. De relatie tussen de energie en het kristalmoment van elektronen is wat wetenschappers 'bandstructuur' noemen, " die, simpel gezegd, is de toegestane energieniveaus voor de elektronen in het kristal.

Onlangs, materiaalwetenschappers hebben hun aandacht gericht op wat "platte bandmaterialen" worden genoemd - een klasse van materialen met een bandstructuur waarin de energie niet varieert met het kristalmomentum en daarom lijkt op een platte lijn wanneer uitgezet als een functie van kristalmomentum - vanwege hun vermogen om exotische toestanden van materie te veroorzaken, zoals ferromagnetisme (ijzerachtig spontaan magnetisme) en supergeleiding (nul weerstand tegen elektriciteitsstroom). Over het algemeen, deze "platte banden" worden waargenomen in speciale 2D-structuren met namen als "dambordrooster, " "dobbelstenen rooster, " "kagome-rooster, " enz. en worden meestal waargenomen in het kristal of aan het oppervlak van gelaagde materialen. Een relevante vraag dient zich dus aan:is het mogelijk om dergelijke roosters in volledig nieuwe 2D-structuren in te bedden? Pogingen om 2D-materialen te ontwerpen bij het beantwoorden van deze vraag, en een recente bevinding suggereert dat het antwoord een "ja" is.

Nutsvoorzieningen, in een studie gepubliceerd in Fysieke beoordeling B als een snelle communicatie, een internationaal team van wetenschappers van het Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST), de Universiteit van Tokio, het Japans Agentschap voor Atoomenergie, en Instituut voor Moleculaire Wetenschappen in Japan en Tamkang University in Taiwan, onder leiding van Dr. Antoine Fleurence en Prof. Yukiko Yamada-Takamura, heeft melding gemaakt van een mogelijk nieuw platbandmateriaal verkregen uit germanium (Ge) -atomen die zichzelf rangschikken in een 2-D bi-driehoekig rooster op dunne zirkoniumdiboride-films die zijn gegroeid op germanium-enkelkristallen. Terwijl het team dit 2D-materiaal jaren geleden al had gekweekt, ze waren pas onlangs in staat om de structuur ervan te onthullen.

Vorig jaar, een deel van het team publiceerde een theoretisch artikel in hetzelfde tijdschrift waarin de voorwaarden werden onderstreept waaronder een 2-D bi-driehoekig rooster een platte band kan vormen. Ze ontdekten dat dit verband houdt met een "kagome" (wat in het Japans geweven mandpatroon betekent) - een term die oorspronkelijk door Japanse natuurkundigen in de jaren '50 werd bedacht om magnetisme te bestuderen. "Ik was erg opgewonden toen ik ontdekte dat de elektronische structuur van het Kagome-rooster kan worden ingebed in een heel ander uitziende 2D-structuur, " herinnert prof. Chi-Cheng Lee zich, een natuurkundige aan de Tamkang University, Taiwan, betrokken bij de studie, die de aanwezigheid van platte banden in het "bitdriehoekige" rooster voorspelde.

De voorspelling werd uiteindelijk bevestigd nadat het team, in hun huidige studie, karakteriseerde het geprepareerde 2D-materiaal met behulp van verschillende technieken zoals scanning tunneling microscopie, positron diffractie, en kernniveau en hoek-opgeloste foto-elektronenemissie; en ondersteunde de experimentele gegevens met theoretische berekeningen om het onderliggende bi-driehoekige rooster te onthullen.

"Het resultaat is echt opwindend omdat het laat zien dat zelfs uit triviale structuren platte banden kunnen ontstaan ​​en mogelijk in veel meer materialen kunnen worden gerealiseerd. Onze volgende stap is om te zien wat er gebeurt bij lage temperatuur, en hoe het gerelateerd is aan de platte banden van het Ge bi-driehoekige rooster, " zegt dr. Fleurence, die ook de eerste auteur van dit artikel is.

Inderdaad, wie had gedacht dat een typische, doorsnee halfgeleider zoals germanium zulke exotische en ongekende mogelijkheden zou kunnen bieden? De 2D-wereld heeft misschien meer verrassingen in petto dan we ons voorstellen.