Samma elektrostatiska laddning som kan få håret att rinna och fästa ballonger på kläder kan vara ett effektivt sätt att driva framtidens tunna elektroniska minnesenheter, enligt en ny studie som leds av forskare vid Department of Energy Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab).

I en studie publicerad idag i tidskriften Natur , forskare har hittat ett sätt att reversibelt ändra atomstrukturen hos ett 2D-material genom att injicera, eller "dopning, "det med elektroner. Processen använder mycket mindre energi än nuvarande metoder för att ändra konfigurationen av ett material struktur.

"Vi visar, för första gången, att det är möjligt att injicera elektroner för att driva strukturella fasförändringar i material, "sade forskarutredaren Xiang Zhang, senior fakultetsvetare vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning och professor vid UC Berkeley. "Genom att lägga till elektroner i ett material, den totala energin går upp och tappar balansen, vilket resulterar i att atomstrukturen omarrangeras till ett nytt mönster som är mer stabilt. Sådana elektrondopningsdrivna strukturella fasövergångar vid 2-D-gränsen är inte bara viktiga i grundläggande fysik; det öppnar också dörren för nytt elektroniskt minne och strömförbrukning i nästa generation av ultratunna enheter. "

Att byta materialets strukturella konfiguration från en fas till en annan är det grundläggande, binär egenskap som ligger till grund för dagens digitala kretsar. Elektroniska komponenter som klarar denna fasövergång har krympt till papperstunna storlekar, men de anses fortfarande vara stora, 3D-lager av forskare. Som jämförelse, 2-D monoskiktsmaterial består av ett enda lager av atomer eller molekyler vars tjocklek är 100, 000 gånger så litet som ett människohår.

"Idén med elektrondopning för att förändra ett materials atomstruktur är unik för 2-D-material, som är mycket mer elektriskt avstämbara jämfört med 3D-bulkmaterial, "sade studiens medförfattare Jun Xiao, en doktorand i Zhangs lab.

Den klassiska metoden för att driva den strukturella övergången av material innebär uppvärmning till över 500 grader Celsius. Sådana metoder är energikrävande och inte genomförbara för praktiska tillämpningar. Dessutom, överskottsvärmen kan avsevärt minska livslängden för komponenter i integrerade kretsar.

Ett antal forskargrupper har också undersökt användningen av kemikalier för att ändra konfigurationen av atomer i halvledarmaterial, men den processen är fortfarande svår att kontrollera och har inte använts i stor utsträckning av industrin.

"Här använder vi elektrostatisk dopning för att styra atomkonfigurationen av ett tvådimensionellt material, "sade studiens medförfattare Ying Wang, en annan doktorand i Zhangs lab. "Jämfört med användningen av kemikalier, vår metod är reversibel och fri från föroreningar. Det har större potential för integration i tillverkningen av mobiltelefoner, datorer och andra elektroniska apparater."

Forskarna använde molybden ditellurid (MoTe2), en typisk 2D-halvledare, och belagde den med en jonisk vätska (DEME-TFSI), som har en ultrahög kapacitans, eller förmåga att lagra elektriska laddningar. Skiktet av jonisk vätska tillät forskarna att injicera halvledaren med elektroner med en densitet av hundra biljoner till en kvadriljon per kvadratcentimeter. Det är en elektrontäthet som är en till två ordningar högre i storlek än vad som kan uppnås i 3D-bulkmaterial, sa forskarna.

Genom spektroskopisk analys, forskarna bestämde att injektionen av elektroner förändrade atomernas arrangemang av molybden ditellurid från en sexkantig form till en som är monoklinisk, som har mer av en lutande kubisk form. När elektronerna väl drogs tillbaka, kristallstrukturen återvände till sitt ursprungliga sexkantiga mönster, visar att fasövergången är reversibel. Dessutom, dessa två typer av atomarrangemang har mycket olika symmetrier, ger en stor kontrast för applikationer i optiska komponenter.

"En sådan atomiskt tunn enhet kan ha dubbla funktioner, fungerar samtidigt som optiska eller elektriska transistorer, och därmed bredda funktionaliteten hos elektroniken som används i vårt dagliga liv, sa Wang.