Рекордная подвижность электронов в новой кристаллической пленке
Физики из Массачусетского технологического института, Армейской исследовательской лаборатории и других организаций достигли рекордного уровня подвижности электронов в тонкой пленке тройного тетрадимита — класса минералов, который естественным образом встречается в глубоких гидротермальных месторождениях золота и кварца. Команда смогла оценить подвижность электронов материала, обнаружив квантовые колебания при прохождении через него электрического тока. Исследователи обнаружили особый ритм колебаний, характерный для высокой подвижности электронов — выше, чем у любых тройных тонких пленок этого класса на сегодняшний день. Результаты, опубликованные в журнале Materials Today Physics, указывают на тонкие пленки тройного тетрадимита как на многообещающий материал для будущей электроники, например, для носимых термоэлектрических устройств, которые эффективно преобразуют отходящее тепло в электричество.
Исследователи вырастили тонкие пленки тройного тетрадимита, которые демонстрируют рекордно высокую подвижность электронов.
(с) MIT News
Материал с высокой подвижностью электронов подобен шоссе без движения. Любые электроны, попадающие в материал, испытывают сон пассажира, проносясь без каких-либо препятствий или скоплений, замедляющих или рассеивающих их с пути.
Чем выше подвижность электронов материала, тем эффективнее его электропроводность и тем меньше энергии теряется или тратится впустую, когда электроны проносятся сквозь него. Современные материалы, которые демонстрируют высокую подвижность электронов, будут иметь важное значение для более эффективных и устойчивых электронных устройств, которые могут выполнять больше работы с меньшими затратами энергии.
Теперь физики из Массачусетского технологического института, Армейской исследовательской лаборатории и других организаций достигли рекордного уровня подвижности электронов в тонкой пленке тройного тетрадимита — класса минералов, который естественным образом встречается в глубоких гидротермальных месторождениях золота и кварца.
Для этого исследования ученые вырастили чистые, ультратонкие пленки материала таким образом, чтобы минимизировать дефекты в его кристаллической структуре. Они обнаружили, что эта почти идеальная пленка — намного тоньше человеческого волоса — демонстрирует самую высокую подвижность электронов в своем классе.
Команда смогла оценить подвижность электронов материала, обнаружив квантовые колебания при прохождении через него электрического тока. Эти колебания являются признаком квантовомеханического поведения электронов в материале. Исследователи обнаружили особый ритм колебаний, характерный для высокой подвижности электронов — выше, чем у любых тройных тонких пленок этого класса на сегодняшний день.
«Раньше то, чего люди достигли в плане подвижности электронов в этих системах, было похоже на движение на строящейся дороге — вы застряли, вы не можете ехать, это пыльно и это беспорядок», — говорит Джагадиш Мудера, старший научный сотрудник физического факультета Массачусетского технологического института. «В этом новом оптимизированном материале это похоже на движение по Массачусетскому шоссе без движения».
Результаты команды, опубликованные в журнале Materials Today Physics, указывают на тонкие пленки тройного тетрадимита как на многообещающий материал для будущей электроники, например, для носимых термоэлектрических устройств, которые эффективно преобразуют отходящее тепло в электричество. (Тетрадимиты — это активные материалы, вызывающие охлаждающий эффект в коммерческих термоэлектрических холодильниках.)
Этот материал также может стать основой для устройств спинтроники, которые обрабатывают информацию, используя вращение электрона, используя гораздо меньше энергии, чем традиционные устройства на основе кремния.
В исследовании также используются квантовые колебания как высокоэффективный инструмент для измерения электронных характеристик материала.
«Мы используем это колебание в качестве набора для быстрого тестирования», — говорит автор исследования Ханг Чи, бывший научный сотрудник Массачусетского технологического института, который сейчас работает в Университете Оттавы. «Изучая этот тонкий квантовый танец электронов, ученые смогут начать понимать и идентифицировать новые материалы для технологий следующего поколения, которые будут питать наш мир».
В число соавторов Чи и Мудеры входят Патрик Тейлор, бывший сотрудник Лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института, а также Оуэн Вейл и Гарри Хиер из Армейской исследовательской лаборатории, а также Брэнди Вутен и Джозеф Хереманс из Университета штата Огайо.
Луч вниз
Название «тетрадимит» происходит от греческого слова «тетра» — «четыре» и «димит» — «близнец». Оба термина описывают кристаллическую структуру минерала, которая состоит из ромбоэдрических кристаллов, «спаренных» в группы по четыре, то есть они имеют идентичную кристаллическую структуру, имеющую общую сторону.
Тетрадимиты состоят из комбинаций висмута, сурьмы, теллура, серы и селена. В 1950-х годах ученые обнаружили, что тетрадимиты обладают полупроводниковыми свойствами, которые могут быть идеальными для термоэлектрических применений: минерал в своей объемной кристаллической форме был способен пассивно преобразовывать тепло в электричество.
Затем, в 1990-х годах, покойный профессор института Милдред Дрессельхаус предположила, что термоэлектрические свойства минерала могут быть значительно улучшены, причем не в его объемной форме, а в пределах его микроскопической поверхности нанометрового масштаба, где взаимодействие электронов более выражено. (В то время Хереманс работал в группе Дрессельхауса.)
«Стало ясно, что если смотреть на этот материал достаточно долго и внимательно, произойдет что-то новое», — говорит Чи. «Этот материал был идентифицирован как топологический изолятор, на поверхности которого ученые могли видеть очень интересные явления. Но чтобы продолжать открывать новые вещи, нам нужно справиться с ростом материала».
Для выращивания тонких пленок чистого кристалла исследователи использовали молекулярно-лучевую эпитаксию — метод, при котором пучок молекул направляется на подложку, как правило, в вакууме и при точно контролируемых температурах.
Когда молекулы оседают на подложке, они конденсируются и медленно наращиваются, один атомный слой за раз. Контролируя время и тип осажденных молекул, ученые могут выращивать сверхтонкие кристаллические пленки в точных конфигурациях, с небольшим количеством дефектов, если таковые вообще имеются.
«Обычно висмут и теллур могут меняться местами, что создает дефекты в кристалле», — объясняет соавтор Тейлор. «Система, которую мы использовали для выращивания этих пленок, попала ко мне из лаборатории Массачусетского технологического института в Линкольне, где мы используем материалы высокой чистоты, чтобы минимизировать примеси до необнаружимых пределов. Это идеальный инструмент для изучения этого исследования».
Свободное течение
Команда вырастила тонкие пленки тройного тетрадимита толщиной около 100 нанометров каждая. Затем они проверили электронные свойства пленки, ища квантовые колебания Шубникова-де Гааса — явление, открытое физиками Львом Шубниковым и Вандером де Хаасом, которые обнаружили, что электропроводность материала может колебаться под воздействием сильного магнитного поля при низких температурах. . Этот эффект возникает потому, что электроны материала заполняют определенные энергетические уровни, которые смещаются при изменении магнитного поля.
Такие квантовые колебания могут служить показателем электронной структуры материала и способов поведения и взаимодействия электронов. В частности, для команды Массачусетского технологического института колебания могут определять подвижность электронов материала: если колебания существуют, это должно означать, что электрическое сопротивление материала способно меняться, и, как следствие, электроны могут быть мобильными и легко течь.
Команда искала признаки квантовых колебаний в своих новых пленках, сначала подвергая их воздействию ультрахолодных температур и сильного магнитного поля, затем пропуская через пленку электрический ток и измеряя напряжение на его пути, настраивая магнитное поле и увеличивая его.
«К нашей большой радости и волнению оказалось, что электрическое сопротивление материала колеблется», — говорит Чи. «Это сразу говорит о том, что у него очень высокая подвижность электронов».
В частности, группа подсчитала, что тонкая пленка тройного тетрадимита демонстрирует подвижность электронов 10 000 см2 /В·с — самую высокую подвижность среди всех измеренных на сегодняшний день пленок тройного тетрадимита.
Команда подозревает, что рекордная подвижность пленки как-то связана с ее низким содержанием дефектов и примесей, которые им удалось минимизировать с помощью своих точных стратегий роста. Чем меньше дефектов материала, тем меньше препятствий встречает электрон и тем свободнее он может течь.
«Это показывает, что можно сделать гигантский шаг вперед, если правильно контролировать эти сложные системы», — говорит Мудера. «Это говорит нам, что мы на правильном пути, и у нас есть правильная система, чтобы двигаться дальше, продолжать совершенствовать этот материал вплоть до еще более тонких пленок и бесконтактной связи для использования в будущей спинтронике и носимых термоэлектрических устройствах».
