Pööratud elektroonika avab ukse tuntud 2-D materjalidele

Kadunud kevad: pea peale pööratud | Ever After High™ (Aprill 2019).

Anonim

Kaheosalistel (2-D) materjalidel nagu grapheinil on ainulaadsed elektroonilised, magnetilised, optilised ja mehaanilised omadused, mis lubavad uuendusvaldkondi juhtida elektroonikaseadmetest energiast materjalidesse meditsiini. Columbia ülikooli teadlased teostavad olulist edu, mis võib muuta põllu ümbermõõtu, "twistronic" seadet, mille omadusi saab muuta, lihtsalt varieerides nurka kahe erineva D-kihilise kihi vahel, mis paiknevad teineteise peale.

Tänavuses täna Science'is avaldatud raamatus demonstreerib meeskond uut seadmestruktuuri, mis mitte ainult ei anna neile eelistatud kontrolli nurkade orientatsiooniga keeratud kihis olevates seadmetes, vaid võimaldab neil seda nurka in situ varieerida, nii et keerdumise mõjud Elektriliste, optiliste ja mehaaniliste omadustega nurka saab uurida ühes seadmes.

Koostaja Cory Dean (füüsika, Columbia University) ja James Hone (masinaehitus, Columbia Engineering) juhatasid meeskonnad tehnikaid, mida nad varem teatasid mehaanilisest kihist grafeenist ja teistest 2-D materjalidest, üks teise peal, moodustamaks uut struktuurid. "See mehaaniline kokkupanekuprotsess võimaldab meil segada ja ühendada erinevaid kristalle, et ehitada täiesti uusi materjale, sageli omadustega, mis erinevad põhikomponentidest, " selgitab Columbia Materjalide Teadus- ja Insenerikeskuse (MRSEC) juhataja Hone, kes uurib omadusi nendest heterostruktuuridest. "Saadaval on sadu 2-D materjale, mille disainivõimalused on tohutud."

Hiljutised uuringud on näidanud, et kihtide pöörlemine joondamisel mängib olulist rolli uute omaduste määramisel, mis tekivad materjalide kombineerimise ajal. Näiteks grafeeni läbiviimisel paigutatakse isoleeriva boornitriidi pealispinnale täiesti joondatud kristallvõredega grafeen välja bändilõhe. Null-nulltelgadel laguneb katkevus ja sisenevad grafeeni omadused. Just selle aasta märtsikuu MIT-i teadlased teatasid murrangulises avastuses, et kaks virnastatud grafeeni kihti võivad avaldada eksootilisi omadusi, sealhulgas ülijuhtivust, kui nende vaheline nurk on nurga all 1, 9 kraadi, mida nimetatakse "võluvnurksuseks".

Varasemates lähenemisviisides pöörlevalt ebaühtlaste kihtidega struktuuride valmistamiseks seadistati kokkupanemise ajal nurk. See tähendas, et kui seade valmistati, siis selle omadused fikseeriti. "Me leidsime selle lähenemisega pettumust, sest väga väikesed vead joondamisel võivad anda täiesti teistsuguseid tulemusi, " ütleb Dean. "Oleks tore luua seade, kus saaksime selle omadusi uurida, samal ajal kui selle kihid pöörleksid pidevalt ja nii oli küsimus, kuidas seda teha?"

Columbia teadlaste vastus oli, et kasutada ära madala hõõrdumise, mis on olemas kihtide vahelises liideses, mida koostavad van der Waalsi jõud, mis on igas kihis palju nõrgemad kui aatomi sidemed. See väike hõõrdumine, mis muudab 2-D materjalid väga heaks kui tahked libestid, muudab kontrollitava koostu soovitud nurga all väga keeruliseks. Columbia grupp kasutas madala hõõrdekarakteristiku eelist, kavandades seadme struktuuri, milles rotatsiooni takistamise asemel võiksid nad tahtlikult ja kontrollselt muuta pöördenurka.

Meeskond kasutas grapheeni / boornitriidi heterostruktuure, et näidata oma tehnika ulatust. Nendes struktuurides, kui kihid ei ole kristallograafiliselt joondatud, säilitavad materjalid oma esialgsed omadused (nt grafeenil on poolmetalliline omadus), kuid kui kihid on joondatud, muutuvad grafeeni omadused, avanevad tühimikud ja käituvad nagu pooljuht. Teadlased näitasid, et heterostruktuuri omaduste peenhäälestus mõjutab selle optilist, mehaanilist ja elektroonilist vastust.

"Näiteks me näitasime, et grafeenil täheldatud energiapuudujääk on häälestatav ja seda saab nõudmisel sisse või välja lülitada, muutes kihtidevahelist suunda, " ütleb Rebeca Ribeiro, kes viis selle töö Columbia doktoriõppejõuna ja Nüüd on CNRSi teadur Prantsuse Nanotehnoloogia ja Nanotehnoloogia Keskuses (C2N-CNRS). "Selle energiavahetuse häälestamine ei kujuta endast mitte ainult suurt sammu grafiini tulevase kasutamise suunas mitmesugustes rakendustes, vaid annab ka üldise tutvustuse, milles 2-D materjalide seadme omadused on dramaatiliselt varieeruvad pöörlemisega"

Tehnoloogilisest vaatepunktist võimaldab kihilist materjali omaduste häälestamine keerdnurga muutmisega võimaldada ühel materjaliplatvormil erinevaid funktsioone täita. Näiteks elektroonilised ahelad on ehitatud piiratud hulgal komponentidest, kaasa arvatud metallist juhtmed, isolaatorid, pooljuhid ja magnetilised materjalid. See protsess nõuab erinevate materjalide integreerimist ja võib kujutada endast märkimisväärset tehnilist väljakutset. Seevastu ühe materjali, mida saab iga komponendi realiseerimiseks kohapeal keerutada, võivad anda olulisi uusi insenerivõimalusi.

Lisaks võimaldab süsteem mehaanilise keeramisega süsteemi dünaamiliselt häälestada, mis võimaldab uut lülitusvõimet, mis võimaldaks täiesti uut seadmerakendust. Näiteks traditsioonilised lülitid erinevad tavaliselt kahe täpselt määratletud oleku vahel (sisse või välja, magnetilised või mitte jne). Columbia platvorm võimaldaks võimalust omavahel täiendavate riikide vahel vahetada.

Dean ja Hone kasutavad nüüd oma uut tehnikat, et uurida teisi 2-D materjalide kombinatsioone, mille omadusi saab häälestada nurkjoonduse abil. Nad pööravad eriti tähelepanu hiljutisele keerdunud kahekihilise grafeeni ülijuhtivusele ja uurivad, kas see võib olla meelevaldsete 2-D materjalidega tehtud keerdunud kaksikkihtide üldine tunnus.

Dean lisab: "Meie uurimus näitab uut vabadustase, nimelt kihtide vahelisi pöörlemissuundi, mida tavaliste pooljuhtide heterostruktuurides lihtsalt ei eksisteeri. See on haruldane juhtum pooljuhtvaldkonnas, kus me tõesti luuakse uus tee ja avaneb uks täiesti uuele uurimisvaldkonnale, kus materiaalseid omadusi saab lihtsalt struktuuri keerdudes muuta. "

Uuring on pealkirjaga "Twistable elektroonika dünaamiliselt pöörlevate heterostruktuuridega".

menu
menu