science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Onderzoekers bereiken laadvolgorde-verbeterde capaciteit in halfgeleider-moiré-superroosters

Een moiré-monster en een metalen plaat gescheiden door een afstand van de twee platen van een parallelle plaatcondensator. De twee zijn sterk Coulomb-gekoppeld op kleine afstanden, die de capaciteit aanzienlijk zou kunnen verbeteren. Krediet:Li et al.

In recente jaren, elektronica-ingenieurs hebben geëxperimenteerd met nieuwe materialen die kunnen worden gebruikt om elektronische correlatieverschijnselen te bestuderen. Van der Waals (vdW) moiré-materialen zijn bijzonder veelbelovend om deze verschijnselen te onderzoeken. VdW-materialen zijn samengesteld uit sterk gehechte tweedimensionale (2D) lagen die in de derde dimensie worden gebonden door zwakkere dispersiekrachten.

De term moiré, anderzijds, verwijst naar een specifiek patroon dat wordt geproduceerd wanneer een ondoorzichtig gelijnd patroon met openingen op een vergelijkbaar patroon wordt geplaatst. Studies hebben onlangs robuuste en gecorreleerde isolatietoestanden onthuld bij zowel integere als fractionele vulfactoren van halfgeleidende materialen met een moirépatroon.

Onderzoekers van de Cornell University en het National Institute for Materials Science in Japan hebben onlangs een onderzoek uitgevoerd naar de thermodynamische eigenschappen van deze robuuste gecorreleerde toestanden. hun papier, gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie , toonde uiteindelijk aan dat de capaciteit (d.w.z. het vermogen van een systeem om elektrische lading op te slaan) kan een sleutelrol spelen bij het onderzoeken van gecorreleerde toestanden van halfgeleidermoiré-materialen.

Deze recente studie was gedeeltelijk gebaseerd op een eerdere onderzoeksinspanning van hetzelfde team, die de aanwezigheid van een overvloed aan elektronenkristallen in halfgeleider-moiré-materialen onthulde. Een van de belangrijkste doelstellingen van de nieuwe studie van het team was om deze elektronenkristaltoestanden beter te begrijpen door thermodynamische metingen te verzamelen.

"Onze studie put ook inspiratie uit theoretische berekeningen van onze vriend Veit Elser, wie is een co-auteur in de krant, "Kin Fai Mak, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde TechXplore. "Veit heeft de capaciteit berekend voor een parallelle plaatcondensator met het monster als één plaat en een metalen poort als een andere plaat."

Typisch, de capaciteit van een parallelle plaatcondensator zoals degene die door Elser is onderzocht, zou alleen worden bepaald door zijn geometrie (bijv. de afstand tussen de twee platen). Verrassend genoeg, echter, zijn berekeningen suggereerden dat de capaciteit wanneer de monsterplaat zich in een fasemengsel van elektronenkristallen bevindt, in feite oneindig zou kunnen zijn.

"Dit kan enorm zijn, aangezien het het vermogen van het apparaat om lading op te slaan aanzienlijk kan verbeteren, ' zei Mak.

Om dit idee experimenteel te testen, Mak en zijn collega's hebben de capaciteit gemeten van een parallelle condensator met het monster van belang (d.w.z. het moiré-monster) als één plaat en een dunne plaat metaal als de tweede plaat.

"De twee platen werden gescheiden door een experimenteel variabele afstand, "Zei Mak. "De capaciteit is nauw verbonden met de elektronische samendrukbaarheid (een thermodynamische grootheid) van het monster, wat een maat is voor hoe samendrukbaar de elektronen zijn wanneer ze worden onderworpen aan een extern elektrisch veld."

Het team heeft zorgvuldig gemeten hoe samendrukbaar de elektronen in hun monster waren wanneer ze werden blootgesteld aan een extern elektrisch veld als een functie van elektronendichtheid en temperatuur. Hierdoor konden ze twee extra thermodynamische metingen afleiden (d.w.z. de elektronische entropie en de soortelijke warmtecapaciteit) uit de bestaande gegevens, met behulp van bekende en gevestigde regels van thermodynamische relaties.

"Een van de belangrijkste resultaten van onze studie was een significante verbetering van de gemeten capaciteit in vergelijking met de geometrische waarde, ' zei Mak. 'Voor zover wij weten, dit is waarschijnlijk de grootste verbetering die tot nu toe is gemeld. Vanwege monsterafwijkingen, echter, de waargenomen verbetering is verre van oneindig zoals voorspeld door de oorspronkelijke berekeningen van Veit. Je zou je in de toekomst een verdere capaciteitsverbetering kunnen voorstellen met betere samples."

De recente bevindingen van dit team van onderzoekers kunnen belangrijke implicaties hebben voor de ontwikkeling van elektronische apparaten. In feite, hun werk toont aan dat de capaciteit van halfgeleider-moiré-superroosters aanzienlijk kan worden verbeterd, wat betekent dat de ladingopslag van apparaten die van deze materialen zijn gemaakt, kan worden verbeterd.

In aanvulling, het team verzamelde waardevolle kwantitatieve metingen van de thermodynamische eigenschappen van de elektronenkristaltoestanden in halfgeleider-moiré-superroosters. In de toekomst, deze metingen zouden kunnen helpen om de aard van deze exotische toestanden van materie beter te begrijpen.

"Thermodynamische meting is een belangrijke vaardigheid in de natuurkunde, omdat het helpt de aard van veel opkomende kwantumtoestanden van materie te begrijpen, " voegde Mak eraan toe. "Er zijn recentelijk zoveel exotische staten ontdekt in moiré-materialen (bijv. supergeleiding, gecorreleerde isolatoren, elektronen kristallen, kwantum afwijkend Hall-effect, enzovoort.). Het uitvoeren van thermodynamische studies over deze toestanden zal zeker helpen om enkele van de mysteries op dit onderzoeksgebied te begrijpen. In het algemeen, capaciteitsmeting is een zeer nuttig diagnostisch hulpmiddel voor kwantumkwesties."

© 2021 Science X Network