MIT-onderzoekers en collega's hebben een belangrijke - en onverwachte - elektronische eigenschap van grafeen ontdekt, een materiaal dat pas ongeveer 17 jaar geleden werd ontdekt en dat wetenschappers blijft verrassen met zijn interessante fysica. Het werk, die structuren omvat die zijn samengesteld uit atomair dunne lagen materialen die ook biocompatibel zijn, nieuwe kon inluiden, snellere informatieverwerkingsparadigma's. Een mogelijke toepassing is in neuromorphic computing, die tot doel heeft de neuronale cellen in het lichaam te repliceren die verantwoordelijk zijn voor alles, van gedrag tot herinneringen.

Het werk introduceert ook nieuwe fysica die de onderzoekers graag willen verkennen.

"Op grafeen gebaseerde heterostructuren blijven fascinerende verrassingen opleveren. Onze observatie van onconventionele ferro-elektriciteit in dit eenvoudige en ultradunne systeem daagt veel van de heersende veronderstellingen over ferro-elektrische systemen uit en het kan de weg vrijmaken voor een hele generatie nieuwe ferro-elektrische materialen, " zegt Pablo Jarillo-Herrero, de Cecil en Ida Green hoogleraar natuurkunde aan het MIT en leider van het werk, waarbij werd samengewerkt met vijf andere MIT-faculteiten van drie afdelingen.

Een nieuw pand

Grafeen is samengesteld uit een enkele laag koolstofatomen die zijn gerangschikt in zeshoeken die lijken op een honingraatstructuur. Sinds de ontdekking van het materiaal, wetenschappers hebben aangetoond dat verschillende configuraties van grafeenlagen aanleiding kunnen geven tot een verscheidenheid aan belangrijke eigenschappen. Op grafeen gebaseerde structuren kunnen supergeleiders zijn, die stroom geleiden zonder weerstand, of isolatoren, die de beweging van elektriciteit verhinderen. Er is zelfs gevonden dat ze magnetisme vertonen.

In het huidige werk die in december vorig jaar werd gemeld Natuur , de MIT-onderzoekers en collega's laten zien dat dubbellaags grafeen ook ferro-elektrisch kan zijn. Dit betekent dat positieve en negatieve ladingen in het materiaal spontaan in verschillende lagen kunnen scheiden.

Bij de meeste materialen, tegengestelde ladingen worden door elkaar aangetrokken; ze willen combineren. Alleen de toepassing van een elektrisch veld zal ze naar tegenovergestelde kanten dwingen, of palen. In een ferro-elektrisch materiaal, er is geen extern elektrisch veld nodig om de ladingen uit elkaar te houden, waardoor een spontane polarisatie ontstaat. Echter, het aanleggen van een extern elektrisch veld heeft wel effect:een elektrisch veld van tegengestelde richting zorgt ervoor dat de ladingen van kant wisselen en de polarisatie omkeren.

Om al deze redenen, ferro-elektrische materialen worden gebruikt in een verscheidenheid aan elektronische systemen, van medische echografie tot radiofrequentie-identificatie (RFID)-kaarten.

Conventionele ferro-elektriciteit, echter, isolatoren zijn. Het ferro-elektrische materiaal van het door het MIT geleide team op basis van grafeen werkt via een heel ander mechanisme - andere fysica - waardoor het elektriciteit kan geleiden. En dat opent talloze extra toepassingen. "Wat we hier hebben gevonden is een nieuw type ferro-elektrisch materiaal, " zegt Zhiren (Isaac) Zheng, een MIT-afgestudeerde student natuurkunde en eerste auteur van het Nature-paper.

Qiong ma, MIT Ph.D. 2016, een co-auteur van het artikel en een assistent-professor aan het Boston College, zet het werk in perspectief. "Er zijn uitdagingen verbonden aan conventionele ferro-elektriciteit waar mensen aan hebben gewerkt om ze te overwinnen. Bijvoorbeeld, de ferro-elektrische fase wordt onstabiel naarmate het apparaat verder wordt geminiaturiseerd. Met ons materiaal sommige van die uitdagingen kunnen automatisch worden opgelost." Ma voerde het huidige werk uit als postdoctoraal medewerker via MIT's Materials Research Laboratory (MRL).

Belangrijke patronen

De structuur die het team heeft gemaakt, bestaat uit twee lagen grafeen - een dubbellaag - ingeklemd tussen atomair dunne lagen boornitride (BN) boven en onder. Elke BN-laag bevindt zich in een iets andere hoek dan de andere. Van bovenaf kijkend, het resultaat is een uniek patroon dat een moiré-superrooster wordt genoemd. Een moirépatroon, beurtelings, "kan de eigenschappen van een materiaal drastisch veranderen, "zegt Zheng.

De groep van Jarillo-Herrero demonstreerde hier in 2018 een belangrijk voorbeeld van. ook gerapporteerd in Natuur , de onderzoekers stapelden twee lagen grafeen op elkaar. Die lagen, echter, waren niet precies op elkaar; liever, één was licht gedraaid in een "magische hoek" van 1,1 graden. De resulterende structuur creëerde een moiré-patroon waardoor het grafeen ofwel een supergeleider of een isolator kon zijn, afhankelijk van het aantal elektronen in het systeem zoals geleverd door een elektrisch veld. In wezen was het team in staat om "grafeen af ​​te stemmen om zich op twee elektrische uitersten te gedragen, " volgens een MIT-nieuwsbericht destijds.

"Dus door deze moiré-structuur te creëren, grafeen is geen grafeen meer. Het verandert bijna magisch in iets heel, zeer verschillend, "zegt mama.

In het huidige werk de onderzoekers creëerden een moiré-patroon met vellen grafeen en boornitride dat heeft geleid tot een nieuwe vorm van ferro-elektriciteit. De fysica die betrokken is bij de beweging van elektronen door de structuur is anders dan die van conventionele ferro-elektriciteit.

"De ferro-elektriciteit die door de MIT-groep is gedemonstreerd, is fascinerend, " zegt Philip Kim, een hoogleraar natuurkunde en toegepaste natuurkunde aan de Harvard University, die niet bij het onderzoek betrokken was.

"Dit werk is de eerste demonstratie die pure elektronische ferro-elektriciteit meldt, die ladingspolarisatie vertoont zonder ionische beweging in het onderliggende rooster. Deze verrassende ontdekking zal zeker verdere studies uitnodigen die meer opwindende opkomende verschijnselen kunnen onthullen en een mogelijkheid bieden om ze te gebruiken voor ultrasnelle geheugentoepassingen."

De onderzoekers willen het werk voortzetten door niet alleen het potentieel van het nieuwe materiaal voor een verscheidenheid aan toepassingen aan te tonen, maar ook het ontwikkelen van een beter begrip van de fysica ervan. "Er zijn nog steeds veel mysteries die we niet volledig begrijpen en die fundamenteel zeer intrigerend zijn, "zegt mama.