Sklopljena elektronika odpira vrata za nastavljive 2-D materiale

Kako Otvoriti Zatvoren Auto (Junij 2019).

Anonim

Dvodimenzionalni (2-D) materiali, kot je grafen, imajo edinstvene elektronske, magnetne, optične in mehanske lastnosti, ki zagotavljajo inovacije na področjih od elektronike do energije do materialov do medicine. Raziskovalci na univerzi Columbia poročajo o velikem napredku, ki lahko revolucijo na področju, "twistronic" napravo, katere značilnosti je mogoče spreminjati s preprosto spreminjanjem kota med dvema različnima 2-slojnima slojema postavljenima ena proti drugemu.

V časopisu, objavljenem na spletu danes v znanosti, ekipa prikazuje novo strukturo naprav, ki jim ne daje le izjemnega nadzora nad kotno usmerjenostjo v napravah z zasukano plastjo, temveč jim omogoča, da spreminjajo ta kot na in situ, tako da se učinki zvijanja kot na elektronskih, optičnih in mehanskih lastnostih lahko preučujemo v eni napravi.

Ekipa, ki so jo vodili Cory Dean (fizika, Univerza Columbia) in James Hone (strojništvo, Columbia Engineering), so na podlagi tehnik, ki so jih predhodno pionirale za mehansko plastenje grafena in drugih 2-D materialov, eden na vrhu drugega, strukture. "Ta mehanski postopek sestavljanja nam omogoča, da mešamo in primerjamo različne kristale, da izdelamo povsem nove materiale, pogosto s svojimi lastnostmi, bistveno drugačnimi od sestavnih slojev, " pravi Hone, vodja znanstvenega in inženirskega centra Columbia's Materials Research Center (MRSEC), ki raziskuje lastnosti teh heterostruktur. "Na voljo je na stotine 2-D materialov, možnosti oblikovanja so ogromne."

Nedavne študije so pokazale, da ima rotacijska poravnava med sloji ključno vlogo pri določanju novih lastnosti, ki nastanejo pri kombiniranju materialov. Na primer, ko je na grafolu nameščena izolacijska bor nitrid z odlično poravnanimi kristalnimi rešetkami, grafen razvije pasovno vrzel. Pri ničelnih kotih izgine trakovna vrzel in se izkoristijo lastnosti grafina. Že v preteklem marec, so raziskovalci v MIT-u poročali o revolucionarnem odkritju, da lahko dve zloženi sloji grafena kažejo eksotične lastnosti, vključno s superprevodnostjo, ko je kot zvijanja med njima nastavljen na 1, 1 stopinj, ki se imenuje "magični kot".

Pri prejšnjih pristopih k izdelovanju konstrukcij z rotacijsko neusklajenimi plasti je bil med montažnim procesom nastavljen kot. To je pomenilo, da so bile naprave, ko so bile izdelane, določene. "Ugotovili smo, da je ta pristop frustrirajoč, saj lahko zelo majhne napake pri usklajevanju dajo popolnoma drugačne rezultate, " pravi Dean. "Bilo bi super narediti napravo, v kateri bi lahko preučevali njene lastnosti, medtem ko nenehno vrti njene plasti, zato je bilo vprašanje, kako to storiti?"

Odgovor, ki so ga raziskovalci Columbia spoznali, je bil, da izkoristijo nizko trenje, ki obstaja na vmesniku med plasti, ki jih držijo skupaj s silami van der Waalsa, ki so veliko slabše od atomskih vezi znotraj posamezne plasti. Ta nizka trenja, ki daje 2-D materiale zelo dobro kot trdna maziva, naredi nadzorovano montažo na želenem kotu zelo težko. Skupina Columbia je za svojo prednost uporabila nizko trenje, ki je značilna za njihovo prednost, tako da je zasnovala strukturo naprave, v kateri namesto da bi preprečile vrtenje, lahko namerno in kontrolno spreminjajo smer vrtenja.

Ekipa je uporabila grafene / boron-nitridne heterostrukture, da bi dokazala doseg tehnike. V teh strukturah, ko plasti niso kristalografsko poravnane, materiali ohranjajo svoje prvotne lastnosti (npr. Grafen bo imel polkmetalen značaj), vendar ko so plasti poravnane, se lastnosti grafena spreminjajo, odpirajo energetsko vrzel in se obnašajo kot polprevodnik. Raziskovalci so pokazali, da to fino uravnavanje lastnosti heterostrukture vpliva na njegove optične, mehanske in elektronske odzive.

"Predvsem smo dokazali, da je energetska prepadnost, ki jo opazimo v grafenu, nastavljiva in ga je mogoče na zahtevo vklopiti ali izklopiti samo s spremembo orientacije med plasti, " pravi Rebeca Ribeiro, ki je vodila to delo kot doktorski raziskovalec v Columbiji in je zdaj znanstveni znanstvenec CNRS pri francoskem centru za nanoznanost in nanotehnologijo (C2N-CNRS). "Uskladitev te energetske vrzeli ne predstavlja le velikega koraka v smeri prihodnje uporabe grafena v različnih aplikacijah, temveč tudi splošno demonstracijo, pri kateri se lastnosti naprave 2-D materialov dramatično spreminjajo z vrtenjem"

S tehnološkega vidika je sposobnost prilagajanja lastnosti slojevitega materiala s spreminjanjem kota zasuka omogoča možnost, da posamezna materialna platforma izvaja različne funkcije. Na primer, elektronska vezja so zgrajena iz končnega števila komponent, vključno z kovinskimi prevodniki, izolatorji, polprevodniki in magnetnimi materiali. Ta proces zahteva integracijo različnih materialov in lahko predstavlja pomemben inženirski izziv. V nasprotju s tem bi lahko en sam material, ki ga je mogoče lokalno "zasukati" za uresničitev vsake od teh komponent, omogočil znatne nove inženirske priložnosti.

Poleg tega možnost dinamičnega nastavljanja sistema z mehanskim zvijanjem ponuja novo preklopno zmogljivost, ki bi lahko omogočila povsem nove aplikacije naprave. Na primer, tradicionalna stikala se običajno razlikujejo med dvema dobro definiranima stanjima (vključena ali izključena, magnetna ali ne, itd.). Platforma Columbia bi lahko omogočila preklop med poljubnim številom dopolnilnih držav.

Dean in Hone zdaj uporabljajo svojo novo tehniko, da preučijo druge kombinacije 2-D materialov, v katerih se lahko lastnosti nastavijo z kotno poravnavo. Posebej iščejo nedavno odkritje superprevodnosti v zvitem dvoplastnem grafenu in preučujejo, ali je to lahko splošna značilnost zvitih dvoslojev iz poljubnih 2-D materialov.

Dean dodaja: »Naša študija kaže novo stopnjo svobode, in sicer rotacijsko usmerjenost med sloji, ki v konvencionalnih polprevodniških heterostrukturah pravzaprav ne obstaja. To je redka priložnost na področju polprevodnikov, kjer smo resnično oblikovali novo pot in se odprejo vrata na popolnoma novo področje raziskav, kjer lahko materialne lastnosti spreminjamo preprosto s prepletanjem strukture. "

Študija je pod naslovom "Twistable elektronika z dinamično vrtljivimi heterostrukturi."

menu
menu