Dla fizyków UW, forma 2-D z ditelluridem wolframu jest pełna niespodzianek

Anonim

Opinia publiczna mogłaby myśleć o XXI wieku jako erze rewolucyjnych platform technologicznych, takich jak smartfony czy media społecznościowe. Ale dla wielu naukowców ten wiek jest erą innego rodzaju platformy: materiałów dwuwymiarowych i ich nieoczekiwanych sekretów.

Te 2-D materiały można wytwarzać w postaci krystalicznych arkuszy tak cienkich jak pojedyncza warstwa, o grubości tylko jednego lub kilku atomów. W monowarstwie elektrony mają ograniczone możliwości poruszania się: Podobnie jak w grze planszowej, mogą poruszać się od przodu do tyłu, z boku na bok lub po przekątnej - ale nie w górę lub w dół. To ograniczenie sprawia, że ​​monowarstwy funkcjonalnie są dwuwymiarowe.

Rzeczywistość 2D ujawnia właściwości przewidywane przez mechanikę kwantową - zasady oparte na falach prawdopodobieństwa, które leżą u podstaw zachowań wszystkich materii. Ponieważ grafen - pierwsza monolayer - zadebiutował w 2004 r., Naukowcy wyizolowali wiele innych materiałów 2D i wykazali, że posiadają wyjątkowe właściwości fizyczne i chemiczne, które mogą zrewolucjonizować komputery i telekomunikację.

Dla zespołu kierowanego przez naukowców z University of Washington, forma 2-D jednego metalicznego związku - ditellurydu wolframu lub WTe 2 - jest zbiorem kwantowych objawień. W artykule opublikowanym 23 lipca w internetowym czasopiśmie Nature naukowcy zgłaszają swoje ostatnie odkrycie dotyczące WTe 2: jego forma 2D może zostać poddana "przełączaniu ferroelektrycznemu". Okazało się, że gdy połączono dwie monowarstwy, powstała "dwuwarstwowa" rozwija spontaniczną polaryzację elektryczną. Ta polaryzacja może być odwrócona pomiędzy dwoma przeciwnymi stanami za pomocą przyłożonego pola elektrycznego.

"Znalezienie przełącznika ferroelektrycznego w tym materiale 2-D było całkowitym zaskoczeniem" - powiedział starszy autor David Cobden, profesor fizyki UW. "Nie szukaliśmy tego, ale widzieliśmy dziwne zachowanie i po sformułowaniu hipotezy o jej charakterze zaprojektowaliśmy eksperymenty, które to potwierdziły."

Materiały o właściwościach ferroelektrycznych mogą mieć zastosowania w pamięci, kondensatorach, technologiach kart RFID, a nawet w czujnikach medycznych.

"Pomyśl o ferroelektronice jako przełączniku natury", powiedział Cobden. "Spolaryzowany stan materiału ferroelektrycznego oznacza, że ​​w materiale występuje nierównomierny rozkład ładunków - a kiedy następuje przełączanie ferroelektryczne, ładunki poruszają się razem, tak jak w sztucznym przełączniku elektronicznym opartym na tranzystorach."

Zespół UW stworzył monowarstwy WTe 2 ze swojej krystalicznej postaci 3-D, którą wyhodowali współautorzy Jiaqiang Yan w Oak Ridge National Laboratory i Zhiying Zhao na University of Tennessee w Knoxville. Następnie zespół UW, pracujący w beztlenowym pudle izolacyjnym, aby zapobiec degradacji WTe 2, użył Scotch Tape do złuszczania cienkich warstw WTe 2 z kryształu - techniki powszechnie stosowanej do izolowania grafenu i innych materiałów 2-D. Po odizolowaniu tych arkuszy można zmierzyć ich właściwości fizyczne i chemiczne, co doprowadziło do odkrycia właściwości ferroelektrycznych.

WTe 2 jest pierwszym złuszczonym materiałem 2-D, o którym wiadomo, że przechodzi przełączanie ferroelektryczne. Przed tym odkryciem naukowcy zaobserwowali jedynie przełączanie ferroelektryczne w izolatorach elektrycznych. Ale WTe 2 nie jest izolatorem elektrycznym; w rzeczywistości jest to metal, choć niezbyt dobry. WTe 2 utrzymuje także przełączanie ferroelektryczne w temperaturze pokojowej, a jego przełączanie jest niezawodne i nie ulega degradacji w czasie, w przeciwieństwie do wielu tradycyjnych ferroelektrycznych materiałów trójwymiarowych, według Cobdena. Te cechy mogą uczynić WTe 2 obiecującym materiałem dla mniejszych, bardziej niezawodnych zastosowań technologicznych niż inne związki ferroelektryczne.

"Unikalna kombinacja cech fizycznych, które widzieliśmy w WTe 2, przypomina, że ​​wszystkie rodzaje nowych zjawisk można zaobserwować w materiałach 2D" - powiedział Cobden.

Przełączanie ferroelektryczne jest drugim ważnym odkryciem, że Cobden i jego zespół dokonali monowarstwy WTe 2. W 2017 roku w Nature Physics zespół poinformował, że materiał ten jest również "izolatorem topologicznym", pierwszym materiałem 2-D z tą egzotyczną właściwością.

W topologicznym izolatorze funkcje falowe elektronów - matematyczne podsumowania ich stanów mechaniki kwantowej - mają pewien rodzaj wbudowanego skrętu. Dzięki trudnościom w usuwaniu tego skrętu izolatory topologiczne mogą mieć zastosowanie w komputerach kwantowych - polu, które ma na celu wykorzystanie kwantowo-mechanicznych właściwości elektronów, atomów lub kryształów, aby wygenerować moc obliczeniową, która jest wykładniczo szybsza niż dzisiejsza technologia. Odkrycie zespołu UW wynikało także z teorii opracowanych przez Davida J. Thoulessa, emerytowanego profesora UW z fizyki, który w 2016 r. Podzielił się nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki za pracę nad topologią w dziedzinie 2-D.

Cobden i jego koledzy planują kontynuować odkrywanie monowarstwy WTe 2, aby zobaczyć, czego jeszcze mogą się nauczyć.

"Wszystko, co do tej pory mierzyliśmy w WTe 2, ma w sobie pewne zaskoczenie" - powiedział Cobden. "To ekscytujące, myśleć, co możemy znaleźć dalej."

menu
menu