Onderzoekers van het Center for Functional Nanomaterials (CFN), een Office of Science User Facility van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) in het Brookhaven National Laboratory van DOE, en Northrop Grumman, een multinationaal lucht- en ruimtevaart- en defensietechnologiebedrijf, hebben een manier gevonden om de polarisatie in de valleien in stand te houden bij kamertemperatuur met behulp van nieuwe materialen en technieken.

Deze ontdekking zou kunnen leiden tot apparaten die informatie op nieuwe manieren opslaan en verwerken zonder de noodzaak om ze bij ultralage temperaturen te bewaren. Hun onderzoek is onlangs gepubliceerd in Nature Communications .

Een van de paden die worden verkend om deze apparaten te realiseren is een relatief nieuw vakgebied dat 'valleytronics' wordt genoemd. De elektronische bandstructuur van een materiaal – het bereik van energieniveaus in de elektronenconfiguraties van elk atoom – kan omhoog of omlaag gaan. Deze pieken en dalen staan ​​bekend als ‘valleien’. Sommige materialen hebben meerdere valleien met dezelfde energie. Een elektron in een systeem als dit kan elk van deze valleien bezetten, wat een unieke manier biedt om informatie op te slaan en te verwerken op basis van de vallei waarin het elektron zich bevindt.

Eén uitdaging waren echter de moeite en de kosten van het handhaven van de lage temperaturen die nodig zijn om de polarisatie in de valleien stabiel te houden. Zonder deze stabiliteit zouden apparaten informatie beginnen te verliezen. Om een ​​technologie als deze haalbaar te maken voor praktische, betaalbare toepassingen, zouden experts een manier moeten vinden om deze beperking te omzeilen.

Het verkennen van 2D-landschappen voor de perfecte valleien

Overgangsmetaaldichalcogeniden (TMD's) zijn interessante, gelaagde materialen die op hun dunste punt slechts enkele atomen dik kunnen zijn. Elke laag in het materiaal bestaat uit een tweedimensionaal (2D) vel overgangsmetaalatomen ingeklemd tussen chalcogeenatomen. Terwijl het metaal en het chalcogeen sterk gebonden zijn door covalente bindingen in een laag, worden aangrenzende lagen slechts zwak gebonden door de interacties van Van der Waal. De zwakke bindingen die deze lagen bij elkaar houden, zorgen ervoor dat TMD's kunnen worden geëxfolieerd tot een monolaag die slechts één "molecuul" dik is. Dit worden vaak 2D-materialen genoemd.

Het team van CFN synthetiseerde enkele kristallen van chirale loodhalogenide perovskieten (R/S-NEAPbI₃ ). Chiraliteit beschrijft een reeks objecten, zoals moleculen, die een spiegelbeeld van elkaar zijn, maar niet over elkaar heen kunnen worden gelegd. Het is afgeleid van het Griekse woord voor ‘handen’, een perfect voorbeeld van chiraliteit. De twee vormen zijn identiek, maar als je de ene hand op de andere legt, zullen ze niet uitgelijnd zijn. Deze asymmetrie is belangrijk voor het beheersen van de polarisatie in de vallei.

Vlokken van dit materiaal, ongeveer 500 nanometer dik of vijfduizendste van de dikte van een mensenhaar, werden gelaagd op een monolaag van molybdeendisulfide (MoS₂ ) TMD om een ​​zogenaamde heterostructuur te creëren. Door verschillende 2D-materialen te combineren met eigenschappen die de ladingsoverdracht op het grensvlak tussen de twee materialen beïnvloeden, openen deze heterostructuren een wereld aan mogelijkheden.

Na het creëren en karakteriseren van deze heterostructuur wilde het team graag zien hoe deze zich gedroeg.

Een mate van vrijheid

"TMD's hebben twee valleien met dezelfde energie", legt Shreetu Shrestha uit, een postdoctoraal onderzoeksmedewerker bij CFN en auteur van dit artikel. "Een elektron kan zich in de ene of de andere vallei bevinden, wat hem een ​​extra vrijheidsgraad geeft. Informatie kan dan worden opgeslagen op basis van welke vallei een elektron inneemt."

Om een ​​beter beeld te krijgen van het gedrag van het materiaal, maakte het team gebruik van hulpmiddelen bij CFN's Advanced Optical Spectroscopy and Microscopie-faciliteit. Wetenschappers gebruikten een lineair gepolariseerde laser om de heterostructuur die ze hadden gefabriceerd te exciteren en maten vervolgens het licht dat werd uitgezonden door de molybdeendisulfide TMD met behulp van een confocale microscoop. Ze voerden hetzelfde proces uit met een TMD waaraan geen chirale loodhalogenide-perovskietlaag was toegevoegd.

Tijdens deze geavanceerde experimenten merkten de onderzoekers iets interessants op over de manier waarop licht werd uitgezonden. De heterostructuur had een lagere emissie dan de kale TMD. De onderzoekers schreven dit gedrag toe aan de lading die van de TMD naar de perovskiet in de heterostructuur werd overgedragen. Met behulp van ultrasnelle spectroscopie ontdekten de onderzoekers dat de lading zeer snel wordt overgedragen:slechts een paar biljoensten van een seconde.

Het team ontdekte ook dat de intensiteit van de links en rechts circulair gepolariseerde componenten van het uitgezonden licht afhangt van de handigheid van de gebruikte chirale perovskiet. De chirale aard van de perovskiet fungeerde als een filter voor elektronen met verschillende spin. Afhankelijk van de handigheid van de chirale perovskiet, werden elektronen die naar boven of naar beneden draaien bij voorkeur overgebracht van de ene vallei boven elektronen met de tegenovergestelde spin in de andere vallei. Dit fenomeen zou onderzoekers in staat stellen selectief valleien te bevolken en hun bezetting op dezelfde manier te gebruiken als huidige transistors op computers de 1's en 0's van binaire bits opslaan.

"Een belangrijk punt om te benadrukken in dit experiment is dat deze resultaten werden gerealiseerd bij kamertemperatuur, waar het hele veld zou moeten bewegen", zegt Mircea Cotlet, materiaalwetenschapper bij Brookhaven Lab en hoofdonderzoeker van het project. "Hardware op de lage temperaturen houden die vroeger werden gebruikt, is zoveel complexer en duurder. Het is bemoedigend om dit soort materiaaleigenschappen bij kamertemperatuur te zien."

Hoewel het onderzoek naar valleytronics zich nog in een vroeg stadium bevindt, hebben onderzoekers al nagedacht over mogelijke toepassingen. Deze technologie zou bestaande apparaten op verrassende manieren kunnen verbeteren en de mogelijkheden van klassieke computers kunnen uitbreiden, maar het zou ook een onderdeel kunnen zijn van de hardware van de toekomst.

"Dit zou helpen om klassiek computergebruik efficiënter te maken," zei Shrestha, "maar deze technologie zou ook kunnen worden ingezet voor de kwantuminformatiewetenschap, waartoe ook kwantumcomputers of zelfs kwantumdetectie behoren. Deze atomair dunne materialen hebben unieke kwantumeigenschappen, die we zouden moeten hebben." kunnen profiteren."

Samenwerking en innovatie bevorderen

CFN-gebruikers en -medewerkers komen uit een breed scala aan vakgebieden in de academische wereld, het onderzoek en de industrie. Dit experiment omvatte de bijdrage van een langdurige medewerker van het Amerikaanse mondiale lucht- en ruimtevaart- en defensietechnologiebedrijf Northrop Grumman. In 2021 kende DOE's Office of Energy Efficiency and Renewable Energy (EERE) CFN financiering toe om samen te werken met Northrop Grumman via het Technoologist in Residence (TIR) ​​-programma. Het TIR-programma koppelt senior technisch personeel van nationale laboratoria en de industrie aan onderzoek en ontwikkeling. Programma's als deze versterken de relaties tussen nationale laboratoria en de industrie, terwijl ze tegelijkertijd de innovatie in de Amerikaanse productie bevorderen en de economische groei en energiezekerheid bevorderen.

"Onze samenwerkingen met Northrop Grumman en Don DiMarzio gaan terug tot 2015", aldus Cotlet. "We hebben een wederzijdse interesse in 2D-materialen, vooral hoe ze zullen helpen bij het creëren van de volgende generatie computers. Het is bemoedigend om de expertise van zoveel verschillende mensen hier onder één dak te hebben. We zijn een gebruikersfaciliteit met toegang tot een verscheidenheid aan hoogwaardige -end instrumenten en technieken die ons de mogelijkheid geven om al deze informatie samen te voegen."

Dankzij dit werk konden Shrestha en Cotlet ook voortbouwen op het voortdurende onderzoek dat ze allebei hebben gedaan naar TMD's en kostenoverdracht.

"Tijdens mijn promotieonderzoek en mijn eerste postdoctorale positie had ik met perovskieten gewerkt", zegt Shrestha, "dus we konden mijn expertise op dat gebied combineren met Mircea's expertise op het gebied van TMD's en de optische instrumenten die we hebben in CFN's Advanced Optical Spectroscopie- en microscopiefaciliteit om iets veelbelovends te ontdekken. Ik was ook enthousiast om samen te werken met Suji Park en Xiao Tong van CFN en Mingxing Li, een wetenschapper die eerder bij CFN werkte en nu bij Innovare werkt.

"Dit soort begrip zou niet mogelijk zijn zonder een collectieve inspanning en toegang tot al deze hoogwaardige faciliteiten onder één dak. Ik ben benieuwd waar dit werk toe leidt en kijk ernaar uit om meer inzicht te geven in de 2D-materialen van CFN programma."

Meer informatie: Shreetu Shrestha et al, Polarisatie bij kamertemperatuur via spin-selectieve ladingsoverdracht, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-40967-7

Journaalinformatie: Natuurcommunicatie

Geleverd door Brookhaven National Laboratory