MIT-forskare och kollegor rapporterar att de har utvecklat en ny egenskap - ferroelektricitet - till en välkänd familj av halvledare. Här står Kenji Yasuda (till vänster), en postdoktor vid MIT, och Xirui Wang, en doktorand i fysik från MIT, i MIT-labbets nyckel till arbetet. Kredit:Kenji Yasuda och Xirui Wang, MIT
MIT-fysiker och kollegor har konstruerat en ny egenskap till en välkänd familj av halvledare genom att manipulera ultratunna ark av materialen som bara är några atomlager tjocka.
Arbetet är viktigt eftersom de nya materialen i sig kan ha intressanta tillämpningar inom datoranvändning med mera. Dessutom är det övergripande tillvägagångssättet generiskt och kan tillämpas på andra redan existerande material, vilket också utökar deras potentiella tillämpningar.
Halvledare är material som kisel med konduktivitet någonstans mellan metaller, vilket gör att elektroner kan röra sig mycket effektivt, och isolatorer (som glas) som hindrar processen. De är hörnstenen i datorbranschen.
De halvledande materialen som är involverade i det aktuella arbetet är kända som övergångsmetalldikalkogenider (TMD). MIT-teamet visade att när två enstaka ark av en TMD, vart och ett endast ett fåtal atomlager tjocka, staplas parallellt med varandra, blir materialet ferroelektriskt. I ett ferroelektriskt material går positiva och negativa laddningar spontant till olika sidor, eller poler. Vid applicering av ett externt elektriskt fält byter dessa laddningar sida, vilket vänder på polarisationen. I de nya materialen sker allt detta vid rumstemperatur.
TMD:er är redan kända för sina intressanta elektriska och optiska egenskaper. Forskarna tror att samspelet mellan dessa egenskaper och den nyligen tillförda ferroelektriciteten kan leda till en mängd intressanta tillämpningar.
"På kort tid har vi lyckats utöka den lilla, men växande, familjen av tvådimensionell ferroelektrik, en nyckeltyp av material vid gränsen för tillämpningar inom nanoelektronik och artificiell intelligens", säger Pablo Jarillo-Herrero, Cecil och Ida Green professor i fysik och ledare för arbetet, som rapporterades i Nature Nanotechnology . Jarillo-Herrero är också knuten till MIT:s Materials Research Laboratory.
Förutom Jarillo-Herrero är författare till uppsatsen Xirui Wang, en MIT doktorand i fysik; Kenji Yasuda och Yang Zhang, MIT postdoktorala medarbetare; Song Liu vid Columbia University; Kenji Watanabe och Takashi Taniguchi från National Institute for Materials Science, i Japan; James Hone från Columbia University och Liang Fu, docent i fysik vid MIT.
Ultra-tunn ferroelektrik
Förra året visade Jarillo-Herrero och många av samma kollegor att när två atomärt tunna ark av bornitrid staplas parallellt med varandra, blir bornitriden ferroelektrisk. I det aktuella arbetet tillämpade forskarna samma teknik på TMD.
Ultratunn ferroelektrik som de som skapats av bornitrid och TMD:er kan ha viktiga tillämpningar inklusive mycket tätare datorminne. Men de är sällsynta. Med tillägget av de fyra nya TMD-ferroelektrikerna som rapporteras i Nature Nanotechnology , alla del av samma halvledarfamilj, "vi har nästan fördubblat antalet ultratunna ferroelektriska rumstemperaturer", säger Xirui Wang. Vidare, noterade hon, är de flesta ferroelektriska material isolatorer. "Det är sällsynt att ha en ferroelektrisk som är en halvledare."
Vad är nästa steg?
"Detta är inte begränsat till bornitrid och TMD," säger Kenji Yasuda. "Vi hoppas att vår teknik kan användas för att lägga till ferroelektricitet till andra redan existerande material. Kan vi till exempel lägga till ferroelektricitet till magnetiska material?"
Detta arbete finansierades av U.S.A. Department of Energy Office of Science, Army Research Office, Gordon and Betty Moore Foundation, U.S. National Science Foundation, Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology (MEXT) i Japan, och Japan Society for the Promotion of Science. + Utforska vidare
