I en studie publicerad i Nature Materials , beskriver forskare från University of California, Irvine en ny metod för att göra mycket tunna kristaller av grundämnet vismut – en process som kan underlätta tillverkningen av billig flexibel elektronik till en vardaglig verklighet.
"Vismut har fascinerat forskare i över hundra år på grund av dess låga smältpunkt och unika elektroniska egenskaper", säger Javier Sanchez-Yamagishi, biträdande professor i fysik &astronomi vid UC Irvine och medförfattare till studien. "Vi utvecklade en ny metod för att göra mycket tunna kristaller av material som vismut, och i processen avslöja dolda elektroniska beteenden hos metallens ytor."
Vismutplåtarna som laget gjorde är bara några nanometer tjocka. Sanchez-Yamagishi förklarade hur teoretiker har förutspått att vismut innehåller speciella elektroniska tillstånd som gör att den kan bli magnetisk när elektricitet strömmar genom den – något som är väsentligt för kvantelektronik baserade på elektronernas magnetiska spinn.
Ett av de dolda beteenden som observerats av teamet är så kallade kvantoscillationer som härrör från kristallernas ytor.
"Kvantsvängningar uppstår från rörelsen av en elektron i ett magnetfält", säger Laisi Chen, en Ph.D. kandidat i fysik &astronomi vid UC Irvine och en av uppsatsens huvudförfattare. "Om elektronen kan fullborda en hel bana runt ett magnetfält kan den uppvisa effekter som är viktiga för elektronikens prestanda. Kvantsvängningar upptäcktes först i vismut på 1930-talet, men har aldrig setts i nanometertunna vismutkristaller. "
Amy Wu, en Ph.D. kandidat i fysik i Sanchez-Yamagishis labb, liknade lagets nya metod med en tortillapress. För att göra de ultratunna arken av vismut, förklarade Wu, var de tvungna att pressa vismut mellan två värmeplattor. För att göra arken så platta som de är, var de tvungna att använda gjutplattor som är perfekt släta på atomnivå, vilket innebär att det inte finns några mikroskopiska divorter eller andra defekter på ytan.
"Vi gjorde sedan en sorts quesadilla eller panini där vismuten är den ostiga fyllningen och tortillorna är de atomärt plana ytorna", sa Wu.
"Det var det här nervösa ögonblicket där vi hade tillbringat över ett år att göra dessa vackra tunna kristaller, men vi hade ingen aning om huruvida dess elektriska egenskaper skulle vara något extraordinärt," sa Sanchez-Yamagishi. "Men när vi kylde ner enheten i vårt labb blev vi förvånade över att observera kvantoscillationer, som inte tidigare har setts i tunna vismutfilmer."
"Kompression är en mycket vanlig tillverkningsteknik som används för att göra vanliga hushållsmaterial som aluminiumfolie, men används inte ofta för att göra elektroniska material som de i dina datorer," tillade Sanchez-Yamagishi. "Vi tror att vår metod kommer att generaliseras till andra material, såsom tenn, selen, tellur och relaterade legeringar med låga smältpunkter, och det kan vara intressant att utforska för framtida flexibla elektroniska kretsar."
Därefter vill teamet utforska andra sätt på vilka kompressions- och formsprutningsmetoder kan användas för att göra nästa datorchips för telefoner eller surfplattor.
"Våra nya teammedlemmar kommer med spännande idéer till det här projektet, och vi arbetar på nya tekniker för att få ytterligare kontroll över formen och tjockleken på de odlade vismutkristallerna", säger Chen. "Detta kommer att förenkla hur vi tillverkar enheter och ta det ett steg närmare för massproduktion."
Forskargruppen inkluderade medarbetare från UC Irvine, Los Alamos National Laboratory och National Institute for Materials Science i Japan.
Mer information: Laisi Chen et al, Exceptionell elektronisk transport och kvantoscillationer i tunna vismutkristaller odlade inuti van der Waals-material, Naturmaterial (2024). DOI:10.1038/s41563-024-01894-0
Journalinformation: Naturmaterial
Tillhandahålls av University of California, Irvine
