Elektronische apparaten nemen voortdurend in omvang af en nemen toe in snelheid en efficiëntie, van geminiaturiseerde personal computers tot mobiele telefoons in zakformaat. Onderzoekers van het Department of Materials Science and Engineering aan de Texas A&M University hebben een klasse van tweedimensionale (2-D) materialen ontdekt om te helpen bij het verder verkleinen en verbeteren van de prestaties van verschillende apparaten.

Dr. Xiaofeng Qian, een assistent-professor, en Hua Wang, een afgestudeerde student op de afdeling, waren te zien in een recent nummer van 2-D Materials voor hun werk in 2-D multiferroïsche materialen.

"De meeste 2D-materialen die tot nu toe zijn bestudeerd, hebben één ferro-eigenschap laten zien, " zei Qian. "Toen we naar groep IV monochalcogenide-lagen keken, we ontdekten dat deze 2D-materialen tegelijkertijd twee ferro-eigenschappen hebben."

Hun paper "Two-Dimensional Multiferroics in Monolayer Group IV Monochalcogenides" demonstreert een speciale klasse van tweedimensionale halfgeleiders. Deze materialen zijn speciaal vanwege hun vermogen om een ​​grote spontane roosterspanning te vertonen die ferroelasticiteit wordt genoemd, en een gigantische schakelbare elektrische polarisatie genaamd ferro-elektriciteit. Deze eigenschappen die gelijktijdig voorkomen in de monolaaggroep IV monochalcogeniden leiden tot 2-D ferro-elastische-ferro-elektrische multiferroiciteit.

"2-D-materialen met meer dan één ferro-karakteristiek kunnen zeer nuttig zijn voor geminiaturiseerde multifunctionele apparaten zoals sensoren en actuatoren, " zei Qian. "Echter, ze zijn zeer schaars in de natuur."

Deze unieke klasse van 2-D multiferroïsche materialen zou nuttig kunnen zijn voor 2-D ferro-elektrisch geheugen en ferro-elastisch geheugen die zo dun zijn als één nanometer. In zakformaat apparaten, dit nieuwe materiaal zou kunnen helpen het apparaat kleiner te maken door de afmetingen van de sensoren en materialen in het apparaat te verkleinen. Ze kunnen ook nuttig zijn voor het onderzoeken van ferro-elektrische excitonische fotovoltaïsche cellen die profiteren van zowel grote ferro-elektriciteit als buitengewone excitonische optische absorptie.

"Aanvullend, deze 2D-materialen met meerdere ferro-orden bieden een ideaal platform om 2-D niet-vluchtig fotonisch geheugen te demonstreren met een veel lager energieverbruik en met een hogere snelheid, ' zei Qian.

Momenteel, de groep werkt aan een beter begrip van de microscopische mechanismen van de beweging van de domeinwand en om andere nieuwe 2-D multiferroïsche materialen te ontdekken.

"Ons uiteindelijke doel in dit project is om multiferroiciteit te ontwerpen in 2D-materialen, " zei Qian. "We willen ook hun multiferroiciteit kunnen verfijnen en controleren voor een verscheidenheid aan elektronische, optische en energietoepassingen."

De resultaten van het werk van het duo zullen nieuwe kansen bieden voor 2-D multifunctioneel materiaalonderzoek naar geminiaturiseerde energie-efficiënte toepassingen.

"Er zijn veel interessante eigenschappen en potentiële toepassingen ontdekt in 2D-materialen en hun hybride structuren. Er wachten veel nieuwe fascinerende eigenschappen om ontdekt te worden, " zei Qian. "Het is zo gelukkig en opwindend om op dit gebied te werken en hun fundamenten en implicaties voor toekomstige apparaat- en energietechnologieën te begrijpen."