Van-der-Waals skiktade CuInP2S6 har olika egenskaper beroende på platsen för kopparatomer (orange sfärer). Enad teori och experiment ledde till upptäckten av två samexisterande faser som är anslutna genom en fyrdubblad energibrunn vars egenskaper kan utnyttjas för att förse material med nya funktioner. Upphovsman:Oak Ridge National Laboratory, USA:s avdelning för energi; illustration av Sabine Neumayer
Ett vetenskapligt team från Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory och Vanderbilt University har gjort den första experimentella observationen av en materialfas som hade förutsetts men aldrig setts. Den nyupptäckta fasen kopplar ihop med en känd fas för att möjliggöra unik kontroll över materialegenskaper-ett framsteg som banar väg för eventuell manipulation av elektrisk ledning i tvådimensionella (2-D) material som grafen.
Teamet gjorde upptäckten med hjälp av ett lager, kopparhaltig kristall som är ferroelektrisk, eller har en konstant elektrisk dipol som kan reverseras när ett elektriskt fält appliceras.
"Dessa material kan bli byggstenar för ultratunn energi och elektronik, sa Nina Balke från ORNL, en motsvarande författare till ett papper som rapporterar fyndet i Naturmaterial .
Observationen visar egenskaper som kan utnyttjas för att förse material med nya funktioner. Dessa egenskaper beror på platsen för kopparatomer i kristallen. Kopparatomerna kan antingen sitta i kristallens lager eller förflyttas in i mellanrummen mellan skikten - kallade "van der Waals -luckor" - där de gör svaga joniska bindningar med angränsande lager och bildar den nya fasen.
Forskarna mätte elektromekaniska svar genom hela ferroelektriska kristaller av kopparindiumtiofosfat, eller CIPS. Detta material är piezoelektriskt, vilket betyder att dess ytor blir laddade när den sträcks eller pressas. Omvänt, applicering av ett elektriskt fält får ett piezoelektriskt material att expandera eller dra ihop sig. De piezoelektriska egenskaperna hos CIPS (CuInP 2 S 6 ) var nyckeln till att studera det experimentellt såväl som teoretiskt för att avslöja de nya fenomenen.
Den teoretiska forskningen utfördes av gruppen Sokrates Pantelides, professor vid Vanderbilt University och framstående gästforskare vid ORNL. Med hjälp av kvantberäkningar, gruppmedlemmar flyttade atomen som var ansvarig för polär förskjutning - koppar - genom kristallstrukturen och beräknade den potentiella energin. "Ett typiskt resultat för ett ferroelektriskt material är att du har två energiminima, eller 'brunnar, 'för denna atom; var och en representerar en polarisationsvektor, en pekar upp, den andra ner, "sa Pantelides." För detta material, teorin förutsade fyra energiminima, vilket är extremt ovanligt. "
Forskargruppen fann att de två ytterligare energiminminerna härrör från en andra strukturfas med dubbel polarisationsamplitud och med en stabil position för kopparatomen i van der Waals -gapet. Dessutom, de teoretiskt förutsagda piezoelektriska konstanterna för de två polära faserna i CIPS matchade de experimentellt uppmätta.
"Detta är den första rapporterade observationen av de piezoelektriska och ferroelektriska egenskaperna hos högpolarisationsfasen, sa Balke, den ledande experimentalisten i laget. "Det var känt att koppar kan gå i klyftan, men konsekvenserna för piezoelektriska och ferroelektriska egenskaper var inte kända. Men i slutändan, det är det som bildar fyrdubblan väl. "
Sabine Neumayer, medlem i ORNL -teamet, Lagt till, "Fyrdubblan öppnar många spännande möjligheter, särskilt för att vi kan styra övergångar mellan dessa fyra olika polariseringstillstånd med hjälp av temperatur, tryck och elektriska fält. "Vanligtvis, ferroelektriker ses som växlar mellan två tillstånd. I CIPS, fyra stater är tillgängliga.
"CIPS är ett av de första ferroelektriska materialen som är inbyggt kompatibelt med nästan alla 2-D-material på grund av dess van der Waals-struktur. Varje gång du har van der Waals-krafter, det betyder att du kan sätta ihop 2-D material och separera dem utan att orsaka större strukturella skador, "Peter Maksymovytj, en annan motsvarande författare, sa. "Van der Waals-strukturen är det som möjliggör klyvning av bulkkristaller för att skapa 2-D-nanostrukturer med rena ytor."
Forskare världen över har tävlat för att skapa ett aktivt gränssnitt för 2-D-material som grafen, ett enkelatomtjockt material med mycket hög elektronmobilitet. "Vi föreställer oss att i framtiden, ett aktivt gränssnitt till CIPS kan styra grafen via piezoelektriska, ferroelektriska och andra responsiva egenskaper, "Maksymovytj sa." Det kommer att sätta smarts i grafen. "
Michael McGuire i ORNL:s materialvetenskapliga och teknologiska avdelning växte och präglade studiens kristaller med Michael Susner, nu på Air Force Research Laboratory. "Konkurrensen och samexistensen mellan flera faser i kristallerna gör dessa material särskilt spännande och intressanta, "sa han." Möjligheten att studera komplexa material som dessa både teoretiskt och experimentellt över ett brett spektrum av längdskalor med komplementära tekniker gör denna typ av arbete möjligt på ORNL. "
Forskarna körde experiment på ORNL:s Center for Nanophase Materials Sciences, där oöverträffad instrumentering och expertis möjliggjorde exakta mätningar och tydlig analys och tolkning av komplexa data. Experimenten förlitade sig på piezoresponse force microscopy (PFM) för att avbilda och kontrollera ferroelektriska domäner på skalor på miljoner till miljarder meter. En skarp ledande sond applicerar ett elektriskt fält på ett provets yta, och materialets elektromekaniskt inducerade deformation härleds från sondens förskjutning.
"CNMS är den världsledande institutionen för mikroskopi av piezoresponsstyrka, "sa Maksymovytj." Folk kommer hit från hela världen för att mäta egenskaperna hos sina prover. "En stor dragning är nära samråd med PFM -gruppmedlemmar som ger nästan ett halvt sekel kumulativ expertis från innovatörer inom PFM som Sergei Kalinin och Stephen Jesse, och toppnamn i teorin, som Panchapakesan Ganesh och Sokrates Pantelides - alla författare till denna uppsats. "Utan den långa expertisen, själva mätningen ensam kanske inte har resulterat i den sammanhängande bilden vi fått, Sa Balke.
Maksymovych tillade, "Att tolka data för dubbla brunnar är utmanande. Fyrbäddsbrunnar är ännu mer komplexa för nu har du flera växlingsegenskaper. Sekvensen av expansion och kontraktion kan se bisarr och oklar ut. Bara på grund av Ninas och Sabines ansträngningar normaliserades bisarra så att vi kunde förstå exakt vad som händer. "
I framtida studier, forskarna kommer att undersöka dynamiska egenskaper - observera förhållanden mellan hög och låg polarisering i ansträngda material; rör på sig, stabilisera och bädda in atomer i den nya fasen för att byta; experimentellt undersöka förutsagt beteende hos material under tryck; och studerar hur ferroelektriska domäner omorienteras efter att ett elektriskt fält har applicerats.
Papperets titel är "Tunable quadruple-well ferroelectric van-der-Waals kristaller."