En typisk MIM-bild nära hörnet av en monolager WTe2-flake. De ljusa sicksacklinjerna indikerar ledningsegenskaper precis vid kanterna av monoskiktet WTe2. Kredit:Cui lab, UC Riverside.
En forskargrupp bestående av forskare vid University of California, Riverside, och University of Washington har för första gången direkt avbildat "edge conduction" i monolager volfram ditelluride, eller WTe 2 , en nyupptäckt 2D topologisk isolator och kvantmaterial.
Forskningen gör det möjligt att utnyttja denna kantledningsfunktion för att bygga mer energieffektiva elektroniska enheter.
I en typisk ledare, elektrisk ström flyter överallt. Isolatorer, å andra sidan, leder inte lätt elektricitet. I topologiska isolatorer, en speciell typ av material, interiören fungerar som en isolator, men gränserna för sådana material är garanterade ledande på grund av dess topologiska egenskaper, vilket resulterar i en egenskap som kallas "topologisk kantledning".
Topologi är den matematiska studien av egenskaperna hos en geometrisk figur eller solid som är oförändrad genom sträckning eller böjning. Att tillämpa detta koncept på elektroniska material leder till upptäckter av många intressanta fenomen, inklusive topologisk kantledning. Fungerar som motorvägar för elektroner, kanaler med topologisk kantledning tillåter elektroner att färdas med lite motstånd. Ytterligare, eftersom kantkanaler kan vara mycket smala, elektroniska enheter kan miniatyriseras ytterligare.
Studieresultat visas idag i Vetenskapens framsteg .
Yongtao Cui är biträdande professor i fysik och astronomi vid UC Riverside. Kredit:I. Pittalwala, UC Riverside.
"Flera material har visat sig vara 3-D topologiska isolatorer, sa Yongtao Cui, en biträdande professor i fysik och astronomi vid UCR, som ledde forskningen. "Men 2-D topologiska isolatorer är sällsynta. Flera nya experiment har fastställt att monolager WTe 2 är den första atomärt tunna 2-D topologiska isolatorn."
Cui förklarade att för en 3-D topologisk isolator, ledning uppträder på dess ytor; för ett 2-D arkliknande material, sådana ledande egenskaper är helt enkelt vid kanterna av arket.
Cuis labb använde en ny experimentell teknik som kallas mikrovågsimpedansmikroskopi, eller MIM, för att direkt avbilda ledningen vid kanterna av monolager WTe 2 .
"Våra resultat bekräftar otvetydigt kantledning i detta lovande material, sa Cui.
Även om WTe 2 har varit känt för att existera i decennier, Intresset för detta material fick ett uppsving bara under de senaste åren på grund av dess exotiska fysiska och elektroniska egenskaper som upptäckts med hjälp av topologisk fysik. WTe 2 lager staplas ihop via van der Waals-interaktioner och kan lätt exfolieras till tunna, 2-D, grafenliknande ark.
Illustration av mätinställningen. Enskikts-WTe2-flingan sitter på ett SiO2/Si-substrat och är täckt av en tunn hexagonal bornitrid-flinga (hBN) för att skydda den från nedbrytning. Kredit:Cui lab, UC Riverside.
"Förutom ledning vid kanterna i monolager WTe 2 , vi fann också att de ledande kanalerna kan sträcka sig till det inre av materialet, på grund av brister – som sprickor, "Sade Cui. "Våra observationer pekar på nya sätt att kontrollera och konstruera sådana ledningskanaler via mekaniska eller kemiska medel."
Cuis medarbetare vid University of Washington förberedde monoskiktet WTe 2 prover. På UCR, hans labb utförde MIM-mätningen, som innebar att en elektrisk mikrovågssignal skickades till en vass metallspets, och placering av spetsen nära ytan av monolager WTe 2 . Genom att lösa upp mikrovågssignalen som studsar tillbaka av provet, forskarna kunde avgöra om provområdet direkt under spetsen var ledande eller inte.
"Vi skannade spetsen över hela provet och kartlade direkt den lokala konduktiviteten, " sa Cui. "Vi utförde alla mätningar vid kryogena temperaturer, behövs för monolager WTe 2 att uppvisa den topologiska egenskapen. De topologiska egenskaperna hos monolager WTe 2 kan potentiellt fungera som en plattform för att realisera väsentliga operationer inom kvantberäkning."
Cuis labb undersöker redan nya sätt att manipulera kantledningskanalerna och topologisk fysik i monolager WTe 2 .
"Vi undersöker om vi staplar monolager WTe 2 med andra 2D-material kan ändra dess topologiska egenskaper, " sade han. "Vi använder också mekaniska och kemiska metoder för att skapa nätverk av ledningskanaler. MIM-tekniken vi använde erbjuder ett kraftfullt sätt att karakterisera ledningskanalerna i topologiska material som monolager WTe 2 ."
