Forskare vid Center for Functional Nanomaterials (CFN), ett US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility vid DOE:s Brookhaven National Laboratory, och Northrop Grumman, ett multinationellt flyg- och försvarsteknologiföretag, har hittat ett sätt att upprätthålla dalens polarisering vid rumstemperatur med användning av nya material och tekniker.
Denna upptäckt kan leda till enheter som lagrar och bearbetar information på nya sätt utan att behöva hålla dem vid ultralåga temperaturer. Deras forskning publicerades nyligen i Nature Communications .
En av vägarna som utforskas för att uppnå dessa enheter är ett relativt nytt område som kallas "valleytronics". Ett material elektroniska bandstruktur – intervallet av energinivåer i varje atoms elektronkonfigurationer – kan sjunka upp eller ner. Dessa toppar och dalar är kända som "dalar". Vissa material har flera dalar med samma energi. En elektron i ett system som detta kan ockupera vilken som helst av dessa dalar, vilket ger ett unikt sätt att lagra och bearbeta information baserat på vilken dal elektronen upptar.
En utmaning har dock varit ansträngningen och kostnaden för att upprätthålla de låga temperaturer som behövs för att hålla dalens polarisering stabil. Utan denna stabilitet skulle enheter börja förlora information. För att göra en teknik som denna genomförbar för praktiska, prisvärda tillämpningar, skulle experter behöva hitta ett sätt att kringgå denna begränsning.
Övergångsmetalldikalkogenider (TMD) är intressanta, skiktade material som kan vara, som tunnast, bara några få atomer tjocka. Varje lager i materialet består av ett tvådimensionellt (2D) ark av övergångsmetallatomer inklämda mellan kalkogenatomer. Medan metallen och kalkogenet är starkt bundna av kovalenta bindningar i ett lager, är intilliggande lager endast svagt bundna av van der Waals interaktioner. De svaga bindningarna som håller ihop dessa lager gör att TMD:er kan exfolieras ner till ett monolager som bara är en "molekyl" tjockt. Dessa kallas ofta 2D-material.
Teamet vid CFN syntetiserade enkristaller av kirala blyhalogenidperovskiter (R/S-NEAPbI3 ). Kiralitet beskriver en uppsättning objekt, som molekyler, som är en spegelbild av varandra men som inte kan överlagras. Det härstammar från det grekiska ordet för "händer", ett perfekt exempel på chiralitet. De två formerna är identiska, men om du lägger ena handen ovanpå den andra kommer de inte att passa. Denna asymmetri är viktig för att kontrollera dalpolarisering.
Flingor av detta material, ungefär 500 nanometer tjocka eller femtusendelar av tjockleken på ett människohår, lades på ett monolager av molybdendisulfid (MoS2 ) TMD för att skapa vad som kallas en heterostruktur. Genom att kombinera olika 2D-material med egenskaper som påverkar laddningsöverföringen i gränssnittet mellan de två materialen, öppnar dessa heterostrukturer upp en värld av möjligheter.
Efter att ha skapat och karaktäriserat denna heterostruktur var teamet ivrigt att se hur det betedde sig.
"TMDs har två dalar med samma energi", förklarade Shreetu Shrestha, en postdoktorand forskningsassistent vid CFN och författaren till denna artikel. "En elektron kan finnas i den ena eller den andra dalen, vilket ger den en ytterligare frihetsgrad. Information kan sedan lagras baserat på vilken dal en elektron upptar."
För att få en bättre bild av materialets beteende använde teamet verktyg vid CFN:s anläggning för avancerad optisk spektroskopi och mikroskopi. Forskare använde en linjärt polariserad laser för att excitera heterostrukturen de tillverkade och mätte sedan ljuset som emitterades från molybdendisulfid TMD med ett konfokalmikroskop. De utförde samma process med en TMD som inte hade det kirala blyhalogenidperovskitskiktet tillsatt.
Under dessa avancerade experiment märkte forskarna något intressant om hur ljus sänds ut. Heterostrukturen hade en lägre emission än den nakna TMD. Forskarna tillskrev detta beteende till laddningen som överfördes från TMD till perovskiten i heterostrukturen. Med hjälp av ultrasnabb spektroskopi fann forskarna att laddningen överförs mycket snabbt - bara några biljondelar av en sekund.
Teamet fann också att intensiteten hos de vänstra och högra cirkulärt polariserade komponenterna i det emitterade ljuset beror på hur mycket den kirala perovskiten som används. Perovskitens kirala natur fungerade som ett filter för elektroner med olika spinn. Beroende på den kirala perovskitens handedness överfördes elektroner som snurrar antingen uppåt eller nedåt från en dal framför elektroner med motsatt spin i den andra dalen. Detta fenomen skulle göra det möjligt för forskare att selektivt befolka dalar och använda sin ockupation på samma sätt som strömtransistorer på datorer lagrar 1:orna och 0:orna för binära bitar.
"En viktig punkt att lyfta fram i det här experimentet är att dessa resultat realiserades vid rumstemperatur, vilket är där hela fältet ska röra sig", säger Mircea Cotlet, materialforskare vid Brookhaven Lab och projektets huvudutredare. "Att hålla hårdvara vid de låga temperaturer som användes är så mycket mer komplicerat och kostsamt. Det är uppmuntrande att se den här typen av materialegenskaper vid rumstemperatur."
Medan valleytronics forskning fortfarande är i ett tidigt skede, har forskare redan funderat på möjliga tillämpningar. Den här tekniken kan förbättra befintliga enheter på överraskande sätt, utöka kapaciteten hos klassiska datorer, men den kan också vara en komponent i framtidens hårdvara.
"Detta skulle bidra till att göra klassisk datoranvändning mer effektiv", sade Shrestha, "men den här tekniken skulle också kunna utnyttjas för kvantinformationsvetenskap, som inkluderar kvantberäkning, eller till och med kvantavkänning. Dessa atomärt tunna material har unika kvantegenskaper, vilket vi borde vara kunna dra nytta av."
Främja samarbete och innovation
CFN-användare och samarbetspartners kommer från ett brett spektrum av områden inom akademi, forskning och industri. Detta experiment involverade bidrag från en långvarig samarbetspartner från det amerikanska globala flyg- och försvarsteknologiföretaget Northrop Grumman. År 2021 tilldelade DOE:s Office of Energy Efficiency and Renewable Energy (EERE) CFN finansiering för att samarbeta med Northrop Grumman genom programmet Technologist in Residence (TIR). TIR-programmet parar senior teknisk personal från nationella labb och industri för att bedriva forskning och utveckling. Program som detta stärker de nationella relationerna mellan labb och industri samtidigt som de främjar innovation inom amerikansk tillverkning och främjar ekonomisk tillväxt och energisäkerhet.
"Vårt samarbete med Northrop Grumman och Don DiMarzio går tillbaka till 2015", sa Cotlet. "Vi har ett ömsesidigt intresse för 2D-material, särskilt hur de kommer att bidra till att skapa nästa generations datorer. Det är uppmuntrande att ha expertis från så många olika människor här under ett tak. Vi är en användaranläggning med tillgång till en mängd olika höga -slutinstrument och tekniker som ger oss förmågan att sätta ihop all denna information."
Detta arbete gjorde det också möjligt för Shrestha och Cotlet att utöka den fortsatta forskningen som de båda har gjort om TMD:er och laddningsöverföring.
"Jag hade arbetat med perovskiter under min doktorsexamen och min första postdoktorala tjänst", sa Shrestha, "så vi kunde kombinera min expertis inom det området med Mirceas expertis inom TMD och de optiska instrument vi har i CFN:s Advanced Optical Spektroskopi och mikroskopi för att upptäcka något lovande Jag var också glad över att arbeta med Suji Park och Xiao Tong från CFN och Mingxing Li, en vetenskapsman som tidigare arbetade med CFN och nu är på Innovare.
"Den här typen av förståelse skulle inte vara möjlig utan en kollektiv ansträngning och tillgång till alla dessa avancerade anläggningar under ett enda tak. Jag är spänd på att se vart detta arbete leder och ser fram emot att bidra med mer insikt till CFN:s 2D-material program."
Mer information: Shreetu Shrestha et al, Rumstemperatur dalpolarisering via spinselektiv laddningsöverföring, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-40967-7
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av Brookhaven National Laboratory
