En sidovy av molybdendisulfid, ett tekniskt tilltalande material som består av två svavelatomer (gul och grön) för varje molybden (lila och blå). Nebraska-forskare fann att den uppåtgående förskjutningen av de gröna svavelatomerna bidrar till uppkomsten av ferroelektricitet, en uppskattad men sällsynt egenskap som kan hjälpa till att koda digital data med avsevärt mindre ström. Kredit:Alexey Lipatov / npj 2D Materials and Applications
Den nanoskopiska motsvarigheten till att stapla en kortlek - att lägga material som bara är några atomer tjocka ovanpå varandra - har dykt upp som en favoritsysselsättning för materialforskare och elektroingenjörer över hela världen.
Precis som kort kan skilja sig åt beroende på färg och värde, kan egenskaperna hos dessa atomärt tunna 2D-material också variera:elektroniskt, magnetiskt, optiskt eller på ett antal andra sätt. Och precis som att kombinera rätt kort kan ge värdefulla händer, kan rätt kombinationer av 2D-material ge tekniskt värdefulla resultat.
University of Nebraska–Lincolns Alexei Gruverman, Alex Sinitskii och kollegor har nu visat att ett särskilt 2D-material, som redan betraktas som ett klätt kort, faktiskt rankas som ett ess i hålet.
Det materialet är molybdendisulfid, eller MoS2 . Tillsammans med partners från Luxemburg, Kina och Frankrike har Husker-forskarna visat att MoS2 besitter en länge teoretiserad egenskap som kan hjälpa datorer, telefoner och annan mikroelektronik att spara både ström och deras exakta elektriska tillstånd, även efter att ha stängts av.
MoS2 s energibesparande, statsbesparande löfte kommer med tillstånd av en uppskattad men ovanlig egenskap som kallas ferroelektricitet. Den vertikala separationen och arrangemanget av negativa kontra positiva laddningar i ferroelektriska material kan vändas omedelbart genom att anbringa en viss spänning. De motsatt inriktade eller polariserade tillstånden kan läsas eller lagras som 1:or och 0:or för binära data, med tillstånden kvar även när en strömkälla har brutits.
Denna fördel med ställ-och-glöm-det förvärras av det faktum att spänning kan vända polarisering och koda en respektive 1 eller 0, samtidigt som den drar mycket mindre energi än de magnetiska fält som ofta används för att koda digital data. Sammantaget har dessa fördelar positionerat ferroelektriska material som en framstående aktör i en framtid som är ännu mer beroende av mikroelektronik.
Teoristödda simuleringar hade föreslagit att MoS2 var just ett sådant material. Som med andra 2D-material, men bevisa att det hade visat sig djävulskt svårt. Men genom att pressa flingor av molybdendisulfid med en nanoskopisk nål som samtidigt exciterade materialet med ett elektriskt fält, har Husker-ledda teamet lyckats bekräfta att MoS2 är faktiskt ferroelektrisk. Materialets polariserade tillstånd höll i upp till veckor åt gången, sa forskarna, och observerades med MoS2 flingor som sitter ovanpå något av flera andra material.
"Ferroelektricitet i tvådimensionella material är i allmänhet ett nytt fenomen", säger Sinitskii, professor i kemi vid Nebraska. "Det upptäcktes ganska nyligen, och exemplen på tvådimensionella system som uppvisar ferroelektrisk polarisation är fortfarande mycket begränsade."
Enbart ferroelektricitet skulle alltså vara tillräckligt för att höja molybdendisulfid i rankingen av 2D-material. Ändå MoS2 har andra egenskaper som tilltalar ingenjörerna med uppgift att bygga bättre enheter. Det är relativt lätt att odla, först i bulk, sedan genom att skala av atomärt tunna lager med hjälp av tejp. Till skillnad från många av dess 2D-motsvarigheter håller den när den utsätts för luft och spelar bra med de syrerika materialen som finns i många elektroniska komponenter.
Utöver allt detta är det ett halvledande material i samma stil som kisel – det långvariga valet för integrerade kretsar eller mikrochips – vilket betyder att dess flöde av elektrisk ström kan utlösas och stoppas med minimal ansträngning. Det sätter MoS2 bortsett från de flesta ferroelektriker, sa Gruverman.
I kölvattnet av teamets studie, som publicerades i tidskriften npj 2D Materials and Applications , MoS2 ansluter sig nu till bara en handfull material som har hög men ändå kontrollerbar ledningsförmåga och lätt omkopplingsbar polarisation, sa forskarna.
"Det fanns alltid denna strävan efter att kombinera halvledande och ferroelektriska egenskaper i ett material, eftersom det skulle göra det till ett mycket kraftfullt material - en helig gral, om man så vill - för halvledarindustrin", säger Gruverman, professor i fysik och Charles Mach University. astronomi.
'Strukturen som vi observerade var helt klart oöverträffad'
Atomerna i ett material kan anta olika konfigurationer som genererar olika egenskaper. Det mest kända exemplet på fenomenet kan vara kol, som kan variera från en mjuk svart kolklump till en nästan oförstörbar, transparent diamant.
Molybdendisulfid, som består av en molybdenatom för vartannat svavel, är inget undantag. I sitt mest stabila tillstånd, känt som 2H, fungerar materialet som en halvledare men saknar faktiskt ferroelektricitet. Men provocera MoS2 med en liten punkt flyttade några av svavelatomerna uppåt, fann teamet, vilket förändrade avstånden mellan dessa atomer och molybden. Det förändrade i sin tur fördelningen av atomernas elektronmoln, vilket i slutändan omvandlade den halvledande 2H till en mer ledande, ferroelektrisk fas känd som 1T."
För att byta polarisering av MoS2 , utnyttjade forskarna den så kallade flexo-elektriska effekten:en förändring i det elektriska beteendet hos ett material när det börjar anstränga sig under kraften av en mekanisk påkänning. I mer än ett halvt sekel har fysiker vetat att ju mer varierande töjningen är – det vill säga ju större skillnaderna är i hur olika områden av ett material kommer att deformeras under påfrestning – desto mer uttalad kommer den elektriska polarisationen att bli. Tjockare material tenderar att uppleva ganska likformiga stammar, sa Gruverman, vilket resulterar i begränsad polarisering och användbarhet för kodning av binära data.
Ett 2D-material som MoS2 — speciellt en som har de finaste fina punkter — är en mycket annorlunda utsikt, vilket ger en enorm skillnad i stammar och följaktligen en massiv flexo-elektrisk effekt.
"I material så tunt som MoS2 , denna flexoelektriska effekt är mycket djupgående," sa Gruverman. "Det viktiga är att detta tillvägagångssätt kan användas som ett mycket effektivt verktyg för att kontrollera polarisationstillstånd i ferroelektrik.
"Nu har vi visat att vi, förutom det elektriska fältet, kan använda mekanisk spänning som ett sätt att kontrollera eller ställa in de elektroniska egenskaperna hos dessa heterostrukturer."
Teamet upptäckte också en överraskning som kunde fungera i MoS2 s tjänst. Även om flingorna som Sinitskii och hans kollegor tillverkade var praktiskt taget orörda, stötte teamet ibland på polarisationssignaler som var betydligt svagare än de förväntade sig. Sinitskii var nyfiken på idén att vända på flingorna och mäta signalerna igen, i hopp om att få insikter om den ultratunna tredje dimensionen av det huvudsakligen 2D-materialet.
När de gjorde det, fastställde forskarna att flingorna innehöll slumpmässigt alternerande lager av polarisering – vissa med positiva laddningar överst och negativa laddningar längst ner, andra tvärtom.
"Den struktur som vi observerade var helt klart oöverträffad, eftersom ingen av de tvådimensionella ferroelektriska strukturer som människor observerade tidigare uppvisade den här typen av arrangemang av ferroelektriska domäner," sa Sinitskii.
Förekomsten av dessa slumpmässigt alternerande lager innebar en annan överraskning. I vissa fall stöter laddningar med liknande tecken mot varandra – positiva till positiva eller negativa till negativa – utan att stöta bort varandra, vilket de normalt förväntas göra. Hur? Teamet misstänker att den särskilt höga konduktiviteten hos 1T" MoS2 främjar flödet av tillräckligt med laddningar mellan dessa skikt för att förhindra repulsion. Det är möjligt, sa Gruverman, att strömmarna inom skiktet skulle kunna kontrolleras genom att vända polariseringen av MoS2 flakes, som erbjuder ett annat hyperlokaliserat sätt att koda data.
"Det är ganska ovanligt att ha dessa lager av ett material där polarisering i ett lager inte bryr sig om polariseringstillståndet i det intilliggande lagret," sa Gruverman. "Vanligtvis skulle den här typen av head-to-head och tail-to-tail-konfiguration vara mycket ogynnsam. Ändå verkar det som om dessa lager här är absolut okänsliga för polariseringstillståndet i de närliggande lagren."
Men det fulla löftet om molybdendisulfid kanske bara avslöjar sig självt, sa Sinitskii, när materialforskare - nu vet det verkliga värdet av MoS2 — lyckas spela det i precis rätt händer.
"Det här är ett väldigt hett ämne just nu," sa Sinitskii. "Det finns många människor som verkligen blandar de här olika lagren och staplar dem ovanpå varandra. Nu har de en annan typ av tvådimensionellt material som skulle kunna läggas till dessa högar och göra dem mer mångsidiga, mer programmerbara och så småningom, mer användbar." + Utforska vidare
