二維材料的特性可以在新方向上發(fā)送電子研發(fā)紡紗

在能源部勞倫斯伯克利實驗室(伯克利實驗室)和加州大學伯克利分校工作的國際研究團隊制作了一種原子級薄的材料，并測量了其異乎尋常的耐用性能，使其成為一個有前途的電子產(chǎn)品分支的候選者。 “自旋電子學。”

這種材料 - 被稱為1T'-WTe 2 - 彌合了兩個蓬勃發(fā)展的研究領(lǐng)域：所謂的二維材料，包括單層材料，如石墨烯，其行為方式與厚層形式不同; 和拓撲材料，其中電子可以以可預(yù)測的方式拉鏈，幾乎沒有阻力，無論通常會阻礙它們運動的缺陷。

在這種材料的邊緣，電子自旋 - 一種粒子特性，有點像指南針指向北方或南方 - 并且它們的動量是緊密相連和可預(yù)測的。

這一最新的實驗證據(jù)可以提升該材料作為下一代應(yīng)用的測試主題的用途，例如新型電子設(shè)備操縱其自旋特性以比現(xiàn)今設(shè)備更有效地攜帶和存儲數(shù)據(jù)。這些特性是自旋電子學的基礎(chǔ)。

該材料被稱為拓撲絕緣體，因為其內(nèi)表面不導(dǎo)電，并且其電導(dǎo)率(電子流)限于其邊緣。

“這種材料應(yīng)該對自旋電子學研究非常有用，”伯克利實驗室先進光源(ALS)的物理學家和科學家科學家Sung-Kwan Mo說，他是該研究的共同領(lǐng)導(dǎo)者，發(fā)表 在Nature Physics上。

伯克利實驗室的高級光源Beamline 10.0.1使研究人員能夠創(chuàng)建和研究原子級薄材料。圖片來源：Roy Kaltschmidt / Berkeley Lab

“電子的流動與它們的旋轉(zhuǎn)方向完全相關(guān)，并且僅限于材料的邊緣，”莫說。“電子將在一個方向上行進，并且采用一種旋轉(zhuǎn)方式，這對于自旋電子設(shè)備來說是一種有用的質(zhì)量。”這種設(shè)備可以更加流暢地傳輸數(shù)據(jù)，與現(xiàn)今的電子設(shè)備相比，功率需求和熱量積累更少。設(shè)備。

“我們很高興我們找到了另一個材料系列，我們既可以探索二維拓撲絕緣體的物理特性，也可以進行可能導(dǎo)致未來應(yīng)用的實驗，”物理學教授沉志勛說。斯坦福大學的科學學院和SLAC加速器實驗室的科學和技術(shù)顧問，他們也共同領(lǐng)導(dǎo)了這項研究工作。“這種一般材料已知具有很強的穩(wěn)定性，可以在各種實驗條件下保持良好狀態(tài)，這些特性應(yīng)該可以使該領(lǐng)域更快地發(fā)展，”他補充道。

該材料是在ALS(一種稱為同步加速器的X射線研究設(shè)施)上制造和研究的。唐淑杰是伯克利實驗室和斯坦福大學的訪問博士后研究員，也是該研究的共同主要作者，他幫助在ALS的高度純化的真空密封隔室中生長3原子厚度的材料結(jié)晶樣品。 ，使用稱為分子束外延的過程。

然后使用稱為ARPES(或角度分辨光電子能譜)的技術(shù)在ALS處研究高純度樣品，其提供了材料電子性質(zhì)的強有力探針。

“在我們改進了生長配方后，我們用ARPES測量了它。我們立即認識到二維拓撲絕緣體的特征電子結(jié)構(gòu)，“唐說，基于理論和預(yù)測。“我們是第一批對這種材料進行這種測量的人。”

但是因為這種材料的導(dǎo)電部分，在其最外邊緣，只測量了幾納米薄 - 比X射線光束的焦點薄幾千倍 - 很難確定所有材料的電子特性。

因此，加州大學伯克利分校的合作者使用稱為STM的技術(shù)或掃描隧道顯微鏡在原子尺度上進行了額外的測量。“STM直接測量了它的邊緣狀態(tài)，因此這是一個非常重要的貢獻，”唐說。

這項研究工作始于2015年，涉及多個學科的二十多名研究人員。該研究團隊還受益于伯克利實驗室能源研究科學計算中心(NERSC)的計算工作。

二維材料具有獨特的電子特性，被認為是調(diào)整它們用于自旋電子學應(yīng)用的關(guān)鍵，并且全球研發(fā)工作非常活躍，專注于通過選擇性地堆疊不同類型來針對特定用途定制這些材料。

“研究人員正試圖將它們夾在彼此之上，以便按照自己的意愿調(diào)整材料 - 比如樂高積木，”莫說。“現(xiàn)在我們已經(jīng)對這種材料的屬性進行了實驗證明，我們希望將其與其他材料疊加起來，看看這些屬性是如何變化的。”

從原子級薄層制造這種設(shè)計材料的典型問題是材料通常具有納米級缺陷，這些缺陷難以消除并且可能影響其性能。但由于1T'-WTe2是拓撲絕緣體，其電子特性本質(zhì)上是有彈性的。

“在納米級，它可能不是一個完美的晶體，”莫說，“但拓撲材料的美妙之處在于，即使你的晶體不完美，邊緣狀態(tài)仍然存在。瑕疵并沒有破壞關(guān)鍵屬性。“

展望未來，研究人員的目標是開發(fā)更大的材料樣本，并發(fā)現(xiàn)如何有選擇地調(diào)整和強調(diào)特定屬性。除了其拓撲性質(zhì)之外，其具有相似特性并且也由研究團隊研究的“姐妹材料”已知具有光敏性并且具有用于太陽能電池和用于電子設(shè)備的光電子學的有用特性。 。