En ny RMIT-ledd studie staplar två olika typer av 2D-material ihop för att skapa ett hybridmaterial som ger förbättrade egenskaper.

Detta hybridmaterial har värdefulla egenskaper för användning i framtida minne och elektroniska enheter som TV-apparater, datorer och telefoner. Det viktigaste är att de elektroniska egenskaperna hos den nya staplade strukturen kan kontrolleras utan behov av extern belastning, vilket öppnar vägen för användning i framtida lågenergitransistorer.

Resultatet är ett nytt potentiellt material för multiferroiska nanoenheter, såsom fälteffekttransistorer och minnesenheter, som skulle kunna arbeta med mycket mindre energi än nuvarande kiselbaserad elektronik samt göra elektroniska komponenter mindre.

Atomtunna byggstenar

Verket använder en struktur som består av två atomärt tunna material:en film av ett ferroelektriskt material och en annan film av ett magnetiskt material. (En sådan struktur av två eller flera olika material hänvisas till som en "heterostruktur.")

Genom att stapla de två 2D-materialen tillsammans skapar forskarna ett "multiferroiskt" material som kombinerar de unika egenskaperna hos komponenten ferroelektriska och ferromagnetiska material.

• Ferromagnetiska (eller magnetiska) material är bekanta, som material med en permanent, inneboende magnetism, som järn. I ferromagnetiska material kan elektronspin justeras för att bilda ett starkt magnetfält (det är vad det betyder att de kan "magnetiseras").
• Ferroelektriska material kan betraktas som den elektriska analogin till ferromagnetiska material, med deras permanenta elektriska polarisering som liknar en magnets nord- och sydpol.
• Multiferroiska material är helt enkelt de som uppvisar mer än en ferroisk egenskap (i detta fall ferromagnetism och ferroelektricitet).

Specifikt fann forskarna att de kunde använda de inneboende ferroelektriska egenskaperna för att justera Schottky-barriärhöjden för In₂ Se₃ / Fe₃ GeTe₂ heterostruktur snarare än att använda applicerad spänning, vilket krävs av andra system. (Schottky-barriären är en energiskillnad som skapas genom att förena en metall med en halvledare.)

Att kunna ställa in höjden på barriären behövs för att omvandla ström från växelström (AC) till direkt (DC) för användning i elektroniska komponenter såsom dioder som finns i TV-apparater, datorer och andra vanliga elektroniska apparater.

Den resulterande, omkopplingsbara Schottky-barriärstrukturen kan utgöra en väsentlig komponent i en tvådimensionell fälteffekttransistor (FET) som kan drivas genom att byta den inneboende ferroelektriska polarisationen, snarare än genom applicering av extern påkänning.

Byte utan extern belastning

Detta arbete använder en heterostruktur av två 2D-monoskikt:In₂ Se₃ och Fe₃ GeTe₂ (vanligtvis förkortat till "FGT"), där In₂ Se₃ är en ferroelektrisk halvledare och FGT är ett magnetiskt/ferromagnetiskt material.

"Våra resultat visar att In₂ Se₃ /FGT ger egenskaper som är jämförbara med andra heterostrukturer men utan behov av yttre påfrestningar", säger motsvarande författare Prof Michelle Spencer. "Vi kan inte bara kontrollera barriärhöjden med denna heterostruktur, utan vi kan också växla mellan en n-typ och p- typ Schottky-barriär."

Sådan styrbarhet och inställning av In₂ Se₃ /FGT-heterostrukturen kan avsevärt bredda sin enhetspotential i framtida elektroniska enheter med låg energi.

"Vi hittade en betydande förändring i de strukturella och elektroniska egenskaperna som växlade mellan konfigurationerna av In₂ Se₃ . Sådana förändringar gör den här heterostrukturen användbar som en omkopplingsbar 2D Schottky-diodenhet", säger huvudförfattaren Dr. Maria Javaid.

Från teori till lab

Upptäckten är direkt tillämplig på FLEET:s uppdrag mot en ny generation av ultralågenergiteknologier utöver CMOS-elektronik.

Förutom att introducera en ny möjlig väg mot multiferroiska nanoenheter, kommer arbetet att motivera experimentalister inom detta område att utforska ytterligare möjligheter för användning av In₂ Se₃ /FGT i framtida elektroniska apparater med låg energi, till exempel:

• Syntetisera en ny multiferroisk heterojunction som har förmågan att "justera" Schottky-barriärens höjd och växla mellan en n-typ och p-typ, via en switch i ferroelektrisk polarisation.
• Utforskar heterostrukturer av In₂ Se₃ med andra ferromagnetiska material.

Ny studie presenterar multiferroicitet i atomära Van der Waals heterostrukturer