Er was een bouwproject op nanoschaal voor nodig dat vergelijkbaar was met de veel grotere die langs de snelwegen van Nebraska lagen, maar natuurkundige Xia Hong leidt nu het lukrake verkeer van elektronen goed genoeg om het te analyseren - en, aan het einde van de weg, gebruik het in next-gen technologie.

Hong en haar collega's van de Universiteit van Nebraska-Lincoln hebben de afgelopen jaren onderzocht wat er gebeurt, en wat kan worden bereikt, bij het op elkaar afzetten van nanoscopisch dunne materialen. Ze is druk bezig geweest om atomaire lagen van halfgeleiders - die elektriciteit beter geleiden dan isolatoren, maar niet zo goed als metalen - te vullen met ferro-elektriciteit, waarvan de uitlijning van positieve en negatieve ladingen, of polarisatie, kunnen onmiddellijk worden geschakeld door er een elektrisch veld op aan te leggen.

Met behulp van de aanpak, Hong heeft al allerlei interessante, technologisch aantrekkelijk en misschien het beste van alles, herconfigureerbare verschijnselen in de onderliggende halfgeleiders. In een nieuwe studie, haar team legde een ferro-elektrisch polymeer bovenop een halfgeleider die bekend staat als rheniumdisulfide. Eerder onderzoek had gesuggereerd dat rheniumdisulfide een gewaardeerde eigenschap heeft:het vermogen om elektronen te transporteren, of stroom geleiden, veel gemakkelijker in sommige richtingen dan in andere. die kwaliteit, bekend als anisotropie, geeft elektrotechnici veel meer en benodigde controle over de stroom van elektrische stroom.

Maar eigenlijk meten, het onderzoeken en manipuleren van het fenomeen was moeilijk gebleken, gedeeltelijk vanwege het feit dat elektronen die door zelfs het dunste plakje rheniumdisulfide gaan, geneigd zijn elkaar opzij te vegen of te T-bone.

Hongs oplossing? Vergrendel de polarisatie van het bovenliggende polymeer en transformeer de onderliggende halfgeleider effectief in een isolator die de stroom van elektriciteit weerstaat. Vervolgens, draai de polarisatie van het polymeer om, maar alleen in een lint van 300 nanometer breed dat het bovenliggende ferro-elektrische materiaal doorsneed. Het resultaat:een dunne, geleidende nanodraad in de anders isolerende laag van rheniumdisulfide eronder. Of, zoals Hong het beschreef, een eenzame snelweg voor elektronen te midden van een ondoordringbare woestijn.

Met het elektronenverkeer beperkt tot alleen dat pad, Hong en haar Husker-collega's waren klaar om de stroom met ongekende precisie te bestuderen. Toen ze dat deden, ze ontdekten dat de geleidbaarheid van rheniumdisulfide afhangt, in buitengewone mate, op de oriëntatie van het pad zelf.

Als dat pad bijna evenwijdig is aan een as gedefinieerd door de rangschikking van atomen in het materiaal, het geleidt elektriciteit bijna net zo goed als een metaal. Als het pad in plaats daarvan loodrecht op die as staat, Hoewel, de geleidbaarheid daalt snel. In feite, het hoekafhankelijke verschil in geleidbaarheid - de anisotropie - is ongeveer 5, 000 keer groter dan gerapporteerd in een 2D, ferro-elektrisch gestuurde configuratie tot nu toe.

"Dus gebruikten we deze zeer speciale techniek om te bevestigen, Voor de eerste keer, dat de anisotropie enorm is, " zei Hong, universitair hoofddocent natuurkunde en sterrenkunde in Nebraska.

Verrassend genoeg, Hong zei, de anisotropie was het grootst bij het meten in rheniumdisulfide dat vier atoomlagen dik was. Het was ook in de versie met vier lagen dat de metingen van haar team het meest overeenkwamen met de theoretische voorspellingen van Evgeny Tsymbal, George Holmes University Hoogleraar natuurkunde en sterrenkunde.

Een deel van de reden? Door enkele lagen toe te voegen, werd wat complexiteit weggenomen, zei Hong. Meerdere factoren kunnen de anisotropie in enkellaags reniumdisulfide beïnvloeden. Maar het extreme geleidingsverschil in de vierlaagse versie kan alleen worden voorspeld door de zogenaamde bandstructuur:hoeveel elektronen kunnen een energieniveau bevolken waardoor ze kunnen beginnen met migreren en, door het zo te doen, elektrische stroom geleiden. Die energieband wordt in bepaalde richtingen vlakker als er lagen worden toegevoegd, concludeerden de onderzoekers, waardoor meer files tussen elektronen ontstaan ​​en de richtingsverschillen in geleidbaarheid toenemen.

"De meeste mensen zouden de neiging hebben om zich te concentreren op een monolaag, " Hong zei. "Maar we vonden, eigenlijk, dat het het materiaal met weinig lagen is dat interessanter is."

Hong zei dat kennis, en de omvang van het effect zelf, zou rheniumdisulfide vooral nuttig kunnen maken voor het maken van lenzen die elektronen focussen op dezelfde manier als optische lenzen lichtstralen doen. Elektronenlenzen helpen bij het produceren van beelden met een buitengewoon hoge resolutie van nanoscopische objecten die niet met licht kunnen worden opgelost.

"Dit materiaal heeft intrinsiek, een vermogen om elektronen slechts effectief in één richting te laten bewegen, "Zei Hong. "Dus we kunnen dit gebruiken als een bouwsteen voor die lenzen."

Zijn anisotropie, gecombineerd met andere eigenschappen die inherent zijn aan de atomaire samenstelling van rheniumdisulfide, kan het materiaal ook positioneren als een vruchtbare speeltuin voor het genereren en beheersen van een reeks verschijnselen die veel breder zijn dan de meeste materialen kunnen beweren, zei Hong.

"Ik denk dat dit een materiaal is, " ze zei, "waarin je magnetisme of supergeleiding zou kunnen hosten, bijvoorbeeld.

"We denken dat dit een startpunt is. Dus we willen dit als hostmateriaal gebruiken en, waarschijnlijk met enige manipulatie, leer deze verschijnselen aan en uit te zetten."

De onderzoekers rapporteerden hun bevindingen in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .