Att begränsa rörelsen av laddningsbärare (elektroner eller hål) till två dimensioner låser upp ovanliga kvantegenskaper, vilket resulterar i användbara elektroniska egenskaper.

Även om vi hänvisar till skikten i sådana material som '2-D', de är inte strikt tvådimensionella. Vad som är nyckeln är begränsningen av en partikels rörelse vinkelrätt mot materialets plan en skala som är proportionell mot partikelns de Broglie -våglängd.

I huvudsak, detta betyder intervallet från några hundra nanometer ner till några nanometer.

Mycket kan läras genom att observera exakt vid vilken tjocklek sådana nya effekter dyker upp.

En FLEET -studie publicerad förra veckan i Fysisk granskning B kvantifierar den exakta övergångspunkten i det lovande materialet volfram ditellurid (WTe2).

Hittade mätningar:

• WTe2 tunna filmer korsar från 3-D till 2-D elektroniska system med tjockleken ~ 20 nm
• överlappning mellan lednings- och valensband minskar vid tjocklek under ~ 12 nm, vilket innebär att ännu tunnare prover kan uppnå en bandgap.

Studien började under FLEET CI Xiaolin Wang vid University of Wollongong, med FLEET -forskare Dr Feixiang Xiang studerade först den speciella elektroniska strukturen för bulk WTe2 -prover som leder till materialets mycket stora magnetoresistans (tidigare publicerad).

Feixiang framställde sedan tunna filmer med olika tjocklek klyvda från en enda kristall med hjälp av mikro-exfoliering på ett substrat.

Efter studier av WTe2 tunna filmer vid UOW, Feixiang använde UNSW-laboratorier för att tillverka enheterna från tunnfilmsprover och utföra transportmätningar med hjälp av ultralåga temperatur- och högfältmätningsanläggningar.

Justeringsmarkörer, elektroder, och bindningsdynor tillverkades med E-beam litografi.

Vinkelberoende kvantoscillationsmätningar utfördes i mycket höga magnetfält vid FLEET CI Alex Hamiltons laboratorium vid UNSW, avslöjar hur materialets bandstruktur förändrades med minskande tjocklek, med en 3D-crossover när provtjockleken reducerades till under 26 nm.

"Detta fynd var mycket viktigt, "säger Feixiang Xiang, som ledde studien på både UOW och UNSW, "eftersom det stiftar ner två kritiska längdskalor för den tjockleksberoende elektroniska strukturen i tunna WTe2-filmer."

Analys indikerade att arean av Fermi -fickor minskar i tunnare prover, vilket tyder på att överlappningen mellan ledningsbandet och valensbandet blir mindre. Detta förklarar inte bara den uppmätta minskningen av bärartätheten i ett tunnare prov, det föreslår att det är möjligt att öppna ett bandgap och inse den 2-D topologiska isolatorn i även tunna prover, som har förutsetts av teorin, och observeras i besläktade föreningar (MoS2 och MoTe2).

Volframditellurid (WTe2) är en skiktad, övergångsmetalldikalkogenid med flera lovande egenskaper:

• extremt stor magnetoresistans, med potential för användning i magnetiska sensorer
• bulk WTe2 förutspås vara en typ-II Weyl-halvmetall
• monoskikt WTe2 är en högtemperatur topologisk isolator, en superledare, och en ferroelektrisk.

Övergångsmetalldikalkogenider (TMD) är en klass av van der Waals -material, omfattande många atomtunna atomlager bundna av svaga intermolekylära krafter.

Vi hänvisar till TMD som '2-D' på grund av denna skiktade kristallstruktur.

Att begränsa rörelsen av laddningsbärare till två dimensioner resulterar i mycket olika elektroniska egenskaper jämfört med 3-D "bulk" -material, vilket också tyder på att fler, olika fysikaliska egenskaper kan hända vid monoskiktsgränsen-övergångspunkten från 3-D till 2-D.

Studien Tjockleksberoende elektronisk struktur i WTe2 -tunna filmer publicerades i American Physical Society's journal Physical Review B i juli 2018.