Onderzoekers van de Universiteit van Pennsylvania behoren nu tot de eersten die een enkele, drie-atoom dikke laag van een uniek tweedimensionaal materiaal genaamd wolfraam ditelluride. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in 2D-materialen .

In tegenstelling tot andere tweedimensionale materialen, wetenschappers geloven dat wolfraamditelluride zogenaamde topologische elektronische toestanden heeft. Dit betekent dat het veel verschillende eigenschappen kan hebben, niet slechts één.

Als je aan tweedimensionale materialen denkt, grafeen is waarschijnlijk het eerste dat in je opkomt.

De strak verpakte, De atomair dunne laag koolstof die voor het eerst werd geproduceerd in 2004, heeft talloze wegen in het onderzoek geïnspireerd die een revolutie teweeg kunnen brengen in alles, van technologie tot drinkwater.

Een van de belangrijkste eigenschappen van grafeen is dat het een zogenaamde zero bandgap-halfgeleider is, omdat het zich zowel als metaal als als halfgeleider kan gedragen.

Maar er zijn tal van andere eigenschappen die 2D-materialen kunnen hebben. Sommige kunnen isoleren, andere kunnen licht uitstralen en weer andere kunnen spintronisch zijn, wat betekent dat ze magnetische eigenschappen hebben.

"Grafeen is gewoon grafeen, " zei A.T. Charlie Johnson, een natuurkunde professor in Penn's School of Arts &Sciences. "Het doet gewoon wat grafeen doet. Als je werkende systemen wilt hebben die zijn gebaseerd op 2D-materialen, dan wil je 2D-materialen die alle verschillende fysieke eigenschappen hebben die we kennen."

Het vermogen van 2D-materialen om topologische elektronische toestanden te hebben is een fenomeen dat werd ontwikkeld door Charles Kane, de Christopher H. Browne Distinguished Professor of Physics aan Penn.

In dit nieuwe onderzoek johnson, natuurkundeprofessor James Kikkawa en afgestudeerde studenten Carl Naylor en William Parkin waren in staat om de eigenschappen van een enkele laag wolfraamditelluride te produceren en te meten.

"Omdat wolfraam ditelluride drie atomen dik is, de atomen kunnen op verschillende manieren worden gerangschikt, Johnson zei. "Deze drie atomen kunnen enigszins verschillende configuraties aannemen ten opzichte van elkaar. Er wordt voorspeld dat één configuratie deze topologische eigenschappen geeft."

Marija Drndi?, de Fay R. en Eugene L. Langberg hoogleraar natuurkunde; Andrew Rappe, de Blanchard hoogleraar scheikunde en een hoogleraar materiaalkunde en techniek aan de School of Engineering and Applied Science, en Robert Carpick, de John Henry Towne Professor en voorzitter van de afdeling Werktuigbouwkunde en Toegepaste Mechanica, ook bijgedragen aan het onderzoek.

"Het is echt een Penn-product, Johnson zei. "We werken samen met meerdere andere faculteitsleden die het materiaal op hun eigen manier onderzoeken, en we hebben alles bij elkaar gebracht om daar een krant te plaatsen. Iedereen gaat mee voor de rit."

De onderzoekers konden dit materiaal laten groeien met behulp van een proces dat chemische dampafzetting wordt genoemd. Met behulp van een hete buisoven, ze verhitten een chip met wolfraam tot de juiste temperatuur en introduceerden vervolgens een damp die tellurium bevat.

"Door geluk en het vinden van precies de juiste voorwaarden, deze elementen zullen chemisch reageren en combineren om een ​​monolaag te vormen, of drie-atoom-dikke gebieden van dit materiaal, ' zei Johnson.

Hoewel dit materiaal extreem snel afbreekt in lucht, Naylor, de eerste auteur van de krant, manieren bedacht om het materiaal te beschermen, zodat het bestudeerd kon worden voordat het werd vernietigd.

Een ding dat de onderzoekers ontdekten, is dat het materiaal groeit in kleine rechthoekige kristallieten, in plaats van de driehoeken waarin andere materialen groeien.

"Dit weerspiegelt de rechthoekige symmetrie in het materiaal, "Zei Johnson. "Ze hebben een andere structuur, dus ze hebben de neiging om in verschillende vormen te groeien."

Hoewel het onderzoek zich nog in de beginfase bevindt en de onderzoekers nog geen doorlopende film hebben kunnen maken, ze hopen experimenten uit te voeren om aan te tonen dat het de voorspelde topologische elektronische eigenschappen heeft.

Een eigenschap van deze topologische systemen is dat elke stroom die door het materiaal gaat alleen langs de randen wordt geleid, en er zou geen stroom door het centrum van het materiaal gaan. Als onderzoekers met deze eigenschap enkellaags dikke materialen zouden kunnen produceren, ze kunnen mogelijk een elektrisch signaal omleiden om naar verschillende locaties af te gaan.

Het vermogen van dit materiaal om meerdere eigenschappen te hebben, kan ook gevolgen hebben voor kwantumcomputers, die gebruikmaakt van de kracht van atomen en subatomaire verschijnselen om berekeningen aanzienlijk sneller uit te voeren dan de huidige computers. Deze 2D-materialen kunnen een intrinsiek fouttolerante vorm van kwantumcomputing mogelijk maken, topologisch beschermde kwantumcomputing genaamd. waarvoor zowel halfgeleidende als supergeleidende materialen nodig zijn.

"Met deze 2D-materialen, je wilt zoveel mogelijk fysieke eigenschappen realiseren, Johnson zei. "Topologische elektronische toestanden zijn interessant en ze zijn nieuw en dus hebben veel mensen geprobeerd ze te realiseren in een 2D-materiaal. We hebben het materiaal gemaakt waar deze naar verwachting zullen voorkomen, dus in die zin zijn we op weg naar dit zeer grote doel in het veld."