MIT-forskare och kollegor har upptäckt en viktig – och oväntad – elektronisk egenskap hos grafen, ett material som upptäcktes för bara cirka 17 år sedan och som fortsätter att överraska forskare med sin intressanta fysik. Arbetet, som involverar strukturer sammansatta av atomärt tunna lager av material som också är biokompatibla, kunde inleda nya, snabbare informationsbehandlingsparadigm. En potentiell tillämpning är inom neuromorfisk datoranvändning, som syftar till att replikera de neuronala cellerna i kroppen som ansvarar för allt från beteende till minnen.

Arbetet introducerar också ny fysik som forskarna är glada över att utforska.

"Grafenbaserade heterostrukturer fortsätter att producera fascinerande överraskningar. Vår observation av okonventionell ferroelektricitet i detta enkla och ultratunna system utmanar många av de rådande antagandena om ferroelektriska system och det kan bana väg för en hel generation av nya ferroelektriska material, " säger Pablo Jarillo-Herrero, Cecil och Ida Green professor i fysik vid MIT och ledare för arbetet, som innebar ett samarbete med fem andra MIT-fakulteten från tre institutioner.

En ny fastighet

Grafen är sammansatt av ett enda lager av kolatomer arrangerade i hexagoner som liknar en bikakestruktur. Sedan materialet upptäcktes, forskare har visat att olika konfigurationer av grafenlager kan ge upphov till en mängd viktiga egenskaper. Grafenbaserade strukturer kan vara antingen supraledare, som leder elektricitet utan motstånd, eller isolatorer, som hindrar elektricitetens rörelse. De har till och med visat sig visa magnetism.

I det pågående arbetet, som rapporterades i december förra året i Natur , MIT-forskarna och kollegorna visar att tvåskiktsgrafen också kan vara ferroelektrisk. Detta innebär att positiva och negativa laddningar i materialet spontant kan separeras i olika lager.

I de flesta material, motsatta laddningar attraheras av varandra; de vill kombinera. Endast appliceringen av ett elektriskt fält kommer att tvinga dem till motsatta sidor, eller stolpar. I ett ferroelektriskt material, inget yttre elektriskt fält behövs för att hålla isär laddningarna, ger upphov till en spontan polarisering. Dock, appliceringen av ett externt elektriskt fält har en effekt:ett elektriskt fält i motsatt riktning kommer att få laddningarna att byta sida och vända polarisationen.

Av alla dessa skäl, ferroelektriska material används i en mängd olika elektroniska system, från medicinska ultraljud till kort för radiofrekvensidentifiering (RFID).

Konventionell ferroelektrik, dock, är isolatorer. Det MIT-ledda teamets ferroelektriska utrustning baserad på grafen fungerar genom en helt annan mekanism - olika fysik - som gör att den kan leda elektricitet. Och det öppnar upp för otaliga ytterligare applikationer. "Det vi har hittat här är en ny typ av ferroelektriskt material, " säger Zhiren (Isaac) Zheng, en MIT doktorand i fysik och första författare till Nature paper.

Qiong Ma, MIT Ph.D. 2016, en medförfattare till tidningen och en biträdande professor vid Boston College, sätter arbetet i perspektiv. "Det finns utmaningar förknippade med konventionell ferroelektrik som människor har arbetat för att övervinna. Till exempel, den ferroelektriska fasen blir instabil när enheten fortsätter att miniatyriseras. Med vårt material, några av dessa utmaningar kan lösas automatiskt." Ma utförde det nuvarande arbetet som postdoktor genom MIT:s Materials Research Laboratory (MRL).

Viktiga mönster

Strukturen som laget skapade är sammansatt av två lager grafen – ett dubbellager – inklämt mellan atomärt tunna lager av bornitrid (BN) ovanför och under. Varje BN-lager har en något annorlunda vinkel från det andra. Ser man uppifrån, resultatet är ett unikt mönster som kallas ett moiré-supergitter. Ett moarémönster, i tur och ordning, "kan dramatiskt förändra egenskaperna hos ett material, " säger Zheng.

Jarillo-Herreros grupp visade ett viktigt exempel på detta under 2018. I det arbetet, även redovisat i Natur , forskarna staplade två lager grafen. Dessa lager, dock, var inte precis ovanpå varandra; snarare, en var något vriden i en "magisk vinkel" på 1,1 grader. Den resulterande strukturen skapade ett moirémönster som i sin tur gjorde att grafenen var antingen en supraledare eller en isolator beroende på antalet elektroner i systemet som tillhandahålls av ett elektriskt fält. I grund och botten kunde teamet "justera grafen för att bete sig vid två elektriska ytterligheter, " enligt en MIT-nyhet vid den tiden.

"Så genom att skapa denna moiré-struktur, grafen är inte grafen längre. Det förvandlas nästan magiskt till något väldigt, mycket olika, " säger mamma.

I det pågående arbetet, forskarna skapade ett moirémönster med ark av grafen och bornitrid som har resulterat i en ny form av ferroelektricitet. Fysiken som är involverad i elektronernas rörelse genom strukturen skiljer sig från den för konventionell ferroelektrik.

"Ferroelektriciteten som demonstreras av MIT-gruppen är fascinerande, säger Philip Kim, professor i fysik och tillämpad fysik vid Harvard University, som inte var involverad i forskningen.

"Detta arbete är den första demonstrationen som rapporterar ren elektronisk ferroelektricitet, som uppvisar laddningspolarisation utan jonisk rörelse i det underliggande gittret. Denna överraskande upptäckt kommer säkerligen att bjuda in ytterligare studier som kan avslöja fler spännande framväxande fenomen och ge en möjlighet att använda dem för ultrasnabba minnesapplikationer."

Forskarna strävar efter att fortsätta arbetet genom att inte bara visa det nya materialets potential för en mängd olika tillämpningar, men också utveckla en bättre förståelse för dess fysik. "Det finns fortfarande många mysterier som vi inte helt förstår och som i grunden är väldigt spännande, " säger mamma.