För att se vad som driver det exotiska beteendet i några atomtunna - eller 2 -D - material, och ta reda på vad som händer när de staplas som Lego -klossar i olika kombinationer med andra ultratunna material, forskare vill observera deras egenskaper på minsta möjliga skala.

Ange MAESTRO, en nästa generations plattform för röntgenförsök vid Advanced Light Source (ALS) vid Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), som ger nya mikroskalevyer av denna konstiga 2-D-värld.

I en studie publicerad 22 januari i tidskriften Naturfysik , forskare nollställde signaturer för exotiskt beteende hos elektroner i ett 2D-material med mikroskalaupplösning.

De nya insikterna från dessa experiment visar att egenskaperna hos 2-D halvledarmaterialet de studerade, kallad volframdisulfid (WS2), kan vara mycket inställbar, med möjliga applikationer för elektronik och andra former av informationslagring, bearbetning, och överföring.

Dessa applikationer kan innehålla nästa generations enheter som kommer från nya forskningsområden som spintronics, excitonics och valleytronics. Inom dessa områden, forskare försöker manipulera egenskaper som momentum och energinivåer i ett materialets elektroner och motpartiklar för att mer effektivt bära och lagra information - analogt med att dessa och nollor vänds i konventionellt datorminne.

Spintronics, till exempel, förlitar sig på kontrollen av en inneboende egenskap hos elektroner som kallas spin, snarare än deras avgift; excitonics kan multiplicera laddningsbärare i enheter för att förbättra effektiviteten i solpaneler och LED -belysning; och valleytronics skulle använda separationer i ett materials elektroniska strukturer som distinkta fickor eller "dalar" för lagring av information.

Signalen de mätte med MAESTRO (Microscopic and Electronic Structure Observatory) avslöjade en väsentligt ökad splittring mellan två energinivåer, eller "band, " associerad med materialets elektroniska struktur. Denna ökade splittring bådar gott för dess potentiella användning i spintronics-enheter.

WS2 är redan känt för att interagera starkt med ljus, för. De nya fynden, tillsammans med dess tidigare kända egenskaper, göra det till en lovande kandidat för optoelektronik, i vilken elektronik kan användas för att styra ljusutsläpp, och vice versa.

"Dessa fastigheter kan vara mycket spännande tekniskt sett, "sa Chris Jozwiak, en ALS-forskare som ledde studien. Den senaste forskningen "visar i princip förmågan att ändra dessa nyckelegenskaper med applicerade elektriska fält i en enhet."

Han lade till, "Förmågan att konstruera egenskaperna hos de elektroniska strukturerna i detta och andra material kan vara mycket användbar för att förverkliga några av dessa möjligheter. Vi är just nu på randen av att kunna studera en enorm variation av material, och för att mäta deras elektroniska beteende och studera hur dessa effekter utvecklas i ännu mindre skalor. "

Studien föreslår också att trioner, som är exotiska trepartikelkombinationer av elektroner och excitoner (bundna elektronpar och deras motsatt laddade motsvarighet "hål"), kunde förklara effekterna de mätte i 2D-materialet. Hål och elektroner fungerar båda som laddningsbärare i halvledare som finns i populära elektroniska enheter.

Forskare använde en form av ARPES (vinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi) vid MAESTRO-strållinjen för att sparka bort elektroner från prover med röntgenstrålar och lära sig om provernas elektroniska struktur från de utmatade elektronernas riktning och energi. Tekniken kan lösa hur elektronerna i materialet interagerar med varandra.

"Det finns väldigt få direkta observationer av en partikel som interagerar med två eller flera andra partiklar, sa Eli Rotenberg, en senior personalvetare på ALS som konceptualiserade MAESTRO för mer än ett decennium sedan. Det byggdes med målet att direkt observera sådana "många kropps" interaktioner i detalj som inte var möjliga tidigare, han sa. "Det här är vad vi tänkte på när vi byggde MAESTRO -strålen."

MAESTRO, som öppnade för forskare 2016, har också flera stationer som gör det möjligt för forskare att tillverka och manipulera prover för röntgenstudier samtidigt som de behåller orörda förhållanden som skyddar dem från kontaminering. MAESTRO är en bland dussintals röntgenstrålar vid ALS som är specialiserade på prover från proteiner och vacciner till batterier och meteoriter.

Förutom MAESTROs exakta mätningar, noggrann förberedelse av volfram disfulfid flingor i tillräcklig storlek för studier, och deras överföring till ett basmaterial (substrat) som inte hindrade deras elektroniska egenskaper eller hindrade röntgenmätningarna var också avgörande för framgången med den senaste studien, Jozwiak noterade.

Jyoti Katoch, studiens huvudförfattare och forskare vid Ohio State University, sa, "Tvådimensionella material är extremt känsliga för sin omgivning, så det är absolut nödvändigt att helt förstå rollen för eventuella yttre störningar som påverkar deras egenskaper. "

Katoch arbetade med Roland Kawakami, en fysikprofessor vid Ohio State, i att förbereda proverna och utforma experimentet. De kopplade prover av WS2 till bornitrid, som gav ett stall, icke-interagerande plattform som var avgörande för röntgenmätningarna. Sedan använde de en metall som en "extern vred" för att ändra egenskaperna hos WS2.

"Den här studien möjliggör två kritiska genombrott:den ger en tydlig grundläggande förståelse för hur man tar bort yttre effekter när man mäter de inneboende egenskaperna hos 2-D-material, och det gör att vi kan justera egenskaperna hos 2-D-material genom att helt enkelt ändra deras miljö. "

Søren Ulstrup, en biträdande professor vid Aarhus universitet som arbetat med WS2 MAESTRO -experimenten som postdoktor, Lagt till, "Att se de inneboende elektroniska egenskaperna hos WS2 -proverna var ett viktigt steg, men den kanske största överraskningen i denna studie dök upp när vi började öka antalet elektroner i systemet - en process som kallas dopning.

"Detta ledde till den dramatiska förändringen av splittringen i bandstrukturen för WS2, " han sa, vilket antyder närvaron av trioner.

MAESTRO klarar mycket små provstorlekar, i storleksordningen tiotals mikron, noterade Rotenberg, vilket också är en nyckel för att studera detta och andra 2D-material. "Det är ett stort tryck för att lösa materialegenskaper på mindre och mindre skalor, " han sa, för att bättre förstå de grundläggande egenskaperna hos 2-D-material, och forskare arbetar nu för att driva MAESTROs förmåga att studera ännu mindre funktioner - ner till nanoskala.

Det påskyndas FoU till stapling av 2-D-lager för att skräddarsy deras egenskaper för specialiserade applikationer, Jozwiak sa, och MAESTRO är väl lämpad för att mäta de elektroniska egenskaperna hos dessa staplade material, för.

"Vi kan se en mycket tydlig inverkan på fastigheter genom att kombinera två material, och vi kan se hur dessa effekter förändras när vi ändrar vilka material vi kombinerar, " han sa.

"Det finns en oändlig mängd möjligheter i denna värld av 2-D Legos, 'och nu har vi ytterligare ett fönster till dessa fascinerande beteenden. "