Åttio år efter den teoretiska förutsägelsen av den kraft som krävs för att övervinna van der Waals bindning mellan lager i en kristall, ingenjörsforskare vid Tohoku University har mätt det direkt. De rapporterar sina resultat denna vecka i Journal of Applied Physics .
I sitt proof-of-concept, laget skapade också mer hållbara galliumselenidkristaller. Prestationen kan främja utvecklingen av terahertz- och spintronics -teknik, används i en rad applikationer från medicinsk bildbehandling till kvantdatorer.
"Detta är första gången någon har mätt van der Waals bindningskraft direkt i lagren av en kristall, "Tadao Tanabe, en av författarna, sa. "Även gymnasieelever känner till denna kraft, men i kristaller var det mycket svårt att mäta direkt. "
Även om det anses lovande för många tekniker, användningen av galliumselenidkristaller har försvårats av det faktum att de är notoriskt sköra. För att göra dem starkare, Tanabes team, inklusive Institutionen för materialvetenskapskollega Yutaka Oyama, tänkt växande kristaller med små mängder selen ersatt med det sällsynta elementet tellur.
Forskarna antog att telluriums större elektronmoln skulle producera större van der Waals krafter mellan kristallskikten, stärka den övergripande strukturen. Van der Waals är svaga elektriska krafter som lockar atomer till varandra genom subtila skiftningar i atomens elektronkonfigurationer.
Teamet växte och jämförde tre olika typer av kristaller:en ren galliumselenid, en med 0,6 procent tellur och en med 10,6 procent tellur. För att testa effekten på telluriet på bindning mellan lager, laget uppfann motsvarigheten till en kristallsmörgåsöppnare. Deras system kan mäta med utsökta detaljer draghållfastheten, kraften som krävs för att dra kristallen tills den går sönder.
"Dragprovningssystemet är väldigt enkelt på vissa sätt, "Sade Tanabe." Men det var mycket svårt att utveckla ett sätt att identifiera den exakta punkten vid vilken kristallen gick sönder. "
Kristallerna som testades var cirka 3 millimeter i bredd, och bara 1/5 millimeter tjock, ungefär hälften av tjockleken på en bit vanligt skrivarpapper. Varje kristall består av hundratals individuella lager.
Teamet använde speciell dubbelsidig tejp på vardera sidan av en kristall för att hålla den mellan en förankrad scen och en rörlig som kan dras iväg långsamt, med en hastighet av 50 miljoner av en meter per sekund. "Detta gjorde att vi mycket exakt kunde mäta mellanlagerskraften vid vilken kristallen bröt, Sa Tanabe.
Forskarna fann att mellanlagret van der Waals-bindningen i de tellur-dopade kristallerna var sju gånger starkare än i rena galliumselenidkristaller.
Med tillägg av tellur, den mjuka och klyvbara galliumselenidkristallen blir stel genom förstärkning av van der Waals bindningskraft, författarna rapporterar, banar väg för att använda detta system för att förbättra kristallbaserad teknik.
