Kredit:University of Manchester
Ett team av forskare vid University of Manchesters National Graphene Institute (NGI) och National Physical Laboratory (NPL) har visat att lätt vridna 2D-övergångsmetalldikalkogenider (TMD) visar ferroelektricitet i rumstemperatur.
Denna egenskap, kombinerad med TMDs enastående optiska egenskaper, kan användas för att bygga multifunktionella optoelektroniska enheter som transistorer och lysdioder med inbyggda minnesfunktioner på nanometerlängdsskala.
Ferroelektrik är material med två eller flera elektriskt polariserbara tillstånd som kan växlas reversibelt med applicering av ett externt elektriskt fält. Denna materialegenskap är idealisk för applikationer som icke-flyktigt minne, mikrovågsenheter, sensorer och transistorer. Fram till nyligen hade omkopplingsbar ferroelektricitet utanför planet vid rumstemperatur endast uppnåtts i filmer tjockare än 3 nanometer.
2D-heterostrukturer
Sedan isoleringen av grafen 2004 har forskare över hela den akademiska världen studerat en mängd nya 2D-material med ett brett utbud av spännande egenskaper. Dessa atomärt tunna 2D-kristaller kan staplas ovanpå varandra för att skapa så kallade heterostrukturer – konstgjorda material med skräddarsydda funktioner.
Nyligen visade ett team av forskare från NGI, i samarbete med NPL, att under en vridningsvinkel på 2 o , rekonstruerar atomgitter fysiskt för att bilda regioner (eller domäner) av perfekt staplade dubbelskikt åtskilda av gränser för lokalt ackumulerad stam. För två monolager staplade parallellt med varandra skapas ett tessellmönster av spegelreflekterade triangulära domäner. Viktigast av allt är att de två angränsande domänerna har en asymmetrisk kristallsymmetri, vilket orsakar en asymmetri i deras elektroniska egenskaper.
Ferroelektrisk omkoppling vid rumstemperatur
I arbetet, publicerat i Nature Nanotechnology , visade teamet att domänstrukturen skapad med vridning med låg vinkel värdar gränssnittsferroelektricitet i tvålagers TMD. Kelvin-sondkraftsmikroskopi visade att närliggande domäner är motsatt polariserade och elektriska transportmätningar visade pålitlig ferroelektrisk omkoppling vid rumstemperatur.
Teamet fortsatte med att utveckla en svepelektronmikroskop (SEM) teknik med förbättrad kontrast, med hjälp av signaler från tillbakaspridda elektroner. Detta gjorde det möjligt att applicera ett elektriskt fält på plats samtidigt som man avbildar förändringar i domänstrukturen på ett icke-invasivt sätt, vilket ger viktig information om hur domänväxlingsmekanismen fungerar. Gränserna som skiljer de motsatt polariserade domänerna visade sig expandera och dra ihop sig beroende på tecknet på det pålagda elektriska fältet och ledde till en betydande omfördelning av de polariserade tillstånden.
Detta arbete visar tydligt att vridningsgraden av frihet kan möjliggöra skapandet av atomärt tunn optoelektronik med skräddarsydda och multifunktionella egenskaper.
Brett utrymme för skräddarsydda 2D-material
Huvudförfattaren Astrid Weston säger att "det är väldigt spännande att vi kan visa att detta enkla verktyg för vridning kan skapa nya egenskaper i 2D-kristaller. Med det stora utbudet av 2D-kristaller att välja mellan ger det oss nästan obegränsat utrymme att skapa perfekt skräddarsydda konstgjorda material."
Medförfattaren Dr. Eli G Castanon tillade att "att kunna observera mönstret och beteendet hos ferroelektriska domäner i strukturer som har nanometertjocklek med KPFM och SEM var mycket spännande. Framstegen med karakteriseringstekniker tillsammans med de omfattande möjligheterna för bildandet av nya heterostrukturer av 2D-material banar väg för att uppnå nya möjligheter i nanoskala för många industrier." + Utforska vidare
