Редкая форма электричества в ультратонком материале
Наноскопический эквивалент складывания колоды карт — наслоение материалов толщиной всего в несколько атомов друг на друга — стал любимым развлечением ученых-материаловедов и инженеров-электриков во всем мире.
Вид сбоку дисульфида молибдена, технологически привлекательного материала, состоящего из двух атомов серы (желтого и зеленого) на каждый молибден (фиолетовый и синий). Исследователи из Небраски обнаружили, что смещение зеленых атомов серы вверх способствует возникновению ферроэлектричества, ценного, но редкого свойства, которое может помочь кодировать цифровые данные, используя значительно меньше энергии. Предоставлено : Алексей Липатов / npj 2D-материалы и приложения
Точно так же, как карты могут различаться по масти и достоинству, свойства этих атомарно тонких 2D-материалов также могут различаться: электронные, магнитные, оптические или любым другим образом. Точно так же, как сочетание правильных карт может принести ценные руки, правильное сочетание 2D-материалов может дать технологически ценные результаты.
Алексей Груверман, Алекс Синицкий и их коллеги из Университета Небраски.
Этим материалом является дисульфид молибдена или MoS 2 . Вместе с партнерами из Люксембурга, Китая и Франции исследователи Husker продемонстрировали, что MoS 2 обладает давно предполагаемым свойством, которое может помочь компьютерам, телефонам и другой микроэлектронике экономить как энергию, так и их точное электрическое состояние даже после выключения.
Обещание MoS 2 по энергосбережению и сохранению состояния стало возможным благодаря ценному, но необычному свойству, известному как ферроэлектричество. Вертикальное разделение и расположение отрицательных и положительных зарядов в сегнетоэлектрических материалах можно мгновенно изменить, просто подав некоторое напряжение. Эти противоположно выровненные или поляризованные состояния могут быть прочитаны или сохранены как 1 и 0 двоичных данных, при этом состояния остаются даже при отключении источника питания.
Это преимущество «установи и забудь» усугубляется тем фактом, что напряжение может инвертировать поляризацию и кодировать соответствующие 1 или 0, потребляя при этом гораздо меньше энергии, чем магнитные поля, часто используемые для кодирования цифровых данных. В совокупности эти преимущества сделали сегнетоэлектрические материалы важным игроком в будущем, еще более зависящем от микроэлектроники.
Моделирование, основанное на теории, показало, что MoS 2 является именно таким материалом. Однако, как и в случае с другими 2D-материалами, доказать это оказалось чертовски сложно. Но, протыкая чешуйки дисульфида молибдена наноскопической иглой, которая одновременно возбуждала материал электрическим полем, группе под руководством Хаскера удалось подтвердить, что MoS 2 на самом деле является сегнетоэлектриком. Исследователи заявили, что поляризованное состояние материала сохраняется до нескольких недель и наблюдается с чешуйками MoS 2 , расположенными поверх любого из нескольких других материалов.
«Сегнетоэлектричество в двумерных материалах — вообще новое явление, — сказал Синицкий, профессор химии из Небраски. «Он был обнаружен сравнительно недавно, и примеры двумерных систем, демонстрирующих сегнетоэлектрическую поляризацию, все еще очень ограничены».
Таким образом, одного ферроэлектричества было бы достаточно, чтобы поднять дисульфид молибдена на первое место в рейтинге двумерных материалов. Тем не менее, у MoS 2 есть и другие свойства, которые нравятся инженерам, которым поручено создавать более совершенные устройства. Его относительно легко выращивать, сначала массово, а затем снимая атомарно тонкие слои с помощью скотча. В отличие от многих своих 2D-аналогов, он выдерживает воздействие воздуха и хорошо сочетается с материалами, богатыми кислородом, которые используются во многих электронных компонентах.
Помимо всего прочего, это полупроводниковый материал наподобие кремния — давний выбор для интегральных схем или микрочипов — это означает, что его поток электрического тока можно запускать и останавливать с минимальными усилиями. По словам Грувермана, это отличает MoS 2 от большинства сегнетоэлектриков.
По словам исследователей, после исследования группы, опубликованного в журнале npj 2D Materials and Applications, MoS 2 теперь объединяет всего несколько материалов, которые могут похвастаться высокой, но контролируемой проводимостью и легко переключаемой поляризацией.
«Всегда было стремление объединить полупроводниковые и сегнетоэлектрические свойства в одном материале, потому что это сделало бы его очень мощным материалом — священным Граалем, если хотите — для полупроводниковой промышленности», — сказал Груверман, профессор физики Университета Чарльза Маха, астрономия.
«Структура, которую мы наблюдали, была явно беспрецедентной»
Атомы материала могут принимать различные конфигурации, которые создают различные свойства. Самым известным примером этого явления может быть углерод, который может варьироваться от мягкого черного куска угля до почти неразрушимого прозрачного алмаза.
Дисульфид молибдена, который состоит из одного атома молибдена на каждые два атома серы, не является исключением. В своем наиболее стабильном состоянии, известном как 2H, материал действует как полупроводник, но на самом деле не обладает сегнетоэлектричеством. Команда обнаружила, что нажатие на MoS 2 крошечной точкой сместило некоторые атомы серы вверх, изменив расстояние между этими атомами и молибденом. Это, в свою очередь, изменило распределение электронных облаков атомов, в конечном итоге превратив полупроводниковый 2H в более проводящую сегнетоэлектрическую фазу, известную как 1T».
Чтобы переключить поляризацию MoS 2 , исследователи использовали так называемый флексоэлектрический эффект: изменение электрического поведения материала, когда он начинает деформироваться под действием механического напряжения. За более чем полвека физики знали, что чем более изменчива деформация, то есть чем больше несоответствие в том, как различные области материала будут деформироваться под нагрузкой, тем более выраженной будет электрическая поляризация. По словам Грувермана, более толстые материалы, как правило, испытывают довольно равномерную деформацию, что приводит к ограниченной поляризации и полезности для кодирования двоичных данных.
Двумерный материал, такой как MoS 2 — особенно тот, у которого проколоты тончайшие точки, — представляет собой совершенно иную перспективу, приводящую к огромному несоответствию в напряжениях и, следовательно, к мощному флексо-электрическому эффекту.
«В таких тонких материалах, как MoS 2 , этот флексоэлектрический эффект проявляется очень сильно», — сказал Груверман. «Важно то, что этот подход можно использовать как очень эффективный инструмент для управления состояниями поляризации в сегнетоэлектриках.
«Теперь мы продемонстрировали, что в дополнение к электрическому полю мы можем использовать механическое напряжение как способ управления или настройки электронных свойств этих гетероструктур».
Команда также обнаружила сюрприз, который может сыграть в пользу MoS 2 . Хотя чешуйки, которые изготовили Синицкий и его коллеги, были практически нетронутыми, команда иногда сталкивалась с поляризационными сигналами, которые были значительно слабее, чем они ожидали. Любопытно, что Синицкому пришла в голову идея перевернуть хлопья и снова измерить сигналы, надеясь получить представление об ультратонком третьем измерении по сути двумерного материала.
Когда они это сделали, исследователи определили, что хлопья содержат случайным образом чередующиеся слои поляризации — одни с положительными зарядами вверху и отрицательными зарядами внизу, другие наоборот.
«Структура, которую мы наблюдали, была явно беспрецедентной, потому что ни одна из двумерных сегнетоэлектрических структур, которые люди наблюдали ранее, не демонстрировала такого рода расположение сегнетоэлектрических доменов», — сказал Синицкий.
Существование этих случайно чередующихся слоев подразумевало еще один сюрприз. В некоторых случаях заряды с одинаковым знаком упираются друг в друга — положительный в положительный или отрицательный в отрицательный — не отталкивая друг друга, как обычно ожидается. Как? Группа подозревает, что особенно высокая проводимость MoS 2 толщиной 1 Тл способствует потоку достаточного количества зарядов между этими слоями, чтобы предотвратить отталкивание. По словам Грувермана, возможно, что внутрислойные токи можно контролировать, меняя поляризацию MoS 2, предлагая другой, гиперлокализованный способ кодирования данных.
«Довольно необычно иметь эти слои материала, в которых поляризация в одном слое не заботится о состоянии поляризации в соседнем слое», — сказал Груверман. «Обычно такая конфигурация «голова к голове» и «хвост к хвосту» была бы очень неблагоприятной. Однако здесь кажется, что эти слои абсолютно нечувствительны к состоянию поляризации в соседних слоях».
Но все перспективы дисульфида молибдена могут раскрыться только тогда, сказал Синицкий, когда ученые-материаловеды, зная истинную ценность MoS 2 , сумеют передать его в нужные руки.
«Сейчас это очень горячая тема», — сказал Синицкий. «Есть много людей, которые действительно перемешивают эти разные слои и накладывают их друг на друга. Теперь у них есть другой вид двумерного материала, который можно добавить к этим стопкам и сделать их более разнообразными, более программируемыми и, в конечном итоге, полезнее."
