Поведение электронов в 2D-материалах при разрешении микромасштаб

Чтобы наблюдать за движущей силой необычного поведения в атомарно тонких материалах и обнаруживать результат их укладки в различных комбинациях с различными ультратонкими материалами, исследователи должны контролировать свои характеристики в наименьших возможных масштабах.

Этот рендеринг показывает «шаровое» представление атомной структуры двумерного однокристаллического слой сероуглерода (синий и желтый), поверх слоев двумерного нитрида бора (серебро и золото). Кроме того, это представление структуры электронных уровней энергии (валентных зон) внутри дисульфида вольфрама и усиленного расщепления между двумя валентными зонами, наблюдаемыми с использованием рентгеновской техники на пучке лучей МАЭСТРО. Эксперименты предполагают, что эффект может быть обусловлен «тройками», состоящими из двух дырок и электрона в полосах, изображенных как прозрачные и темные сферы. Фон представляет собой необработанные данные электронной структуры дисульфида вольфрама, измеренные в эксперименте. (Image credit: Chris Jozwiak / Berkeley Lab)

Доступ к микроскопической и электронной структурной обсерватории (MAESTRO) – экспериментальная платформа следующего поколения на расширенном источнике света (ALS) Национальной лаборатории лаборатории Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) – предлагает инновационные микромасштабные наблюдения этого своеобразный 2D-царство.

Ученые теперь обратили внимание на подписи о поразительном поведении электронов в двумерном материале с микромасштабным разрешением и сообщили об этом в журнале «Физика природы» 22 января 2018 года.

. Новые знания, полученные в этих экспериментах, показывают, что характеристики анализируемого двумерного полупроводникового материала, известного как дисульфид вольфрама (WS 2 ), могут быть в значительной степени скорректированы с предполагаемыми применениями в электронике и различных формах хранение, обработка и передача информации.

Эти приложения могут включать устройства следующего поколения, разработанные в новых исследовательских областях, таких как экситоника, спинтроника и долина. В таких областях ученые пытаются использовать в материале характеристики (такие как импульс и энергетические уровни) электронов и частиц-партнеров, для эффективной передачи и хранения информации – подобно переливанию 1s и 0s в традиционной компьютерной памяти.

Например, спинтроника зависит от манипуляции внутренней характеристикой электронов, а не с их зарядом. Экситоники могут умножать носители заряда в устройствах для повышения эффективности светодиодного освещения и солнечных панелей. Компания Valleytronics могла использовать сепарации в электронных структурах материала как уникальные карманы или «долины» для хранения информации.

Сигнал, измеренный с использованием MAESTRO, показал значительно увеличенное расщепление между двумя «полосами» или уровнями энергии, связанными с электронной структурой материала. Такое увеличение расщепления находит перспективное применение в устройствах спинтроники.

WS 2 до сих пор, как известно, также сильно взаимодействовал с светом. Инновационные результаты вместе с его более ранними известными характеристиками делают его удобным материалом для применения в оптоэлектронике, где электроника может быть принята для регулирования выпуска света и наоборот.

Эти свойства могут быть очень интересными технологически … ( Последнее исследование) в принципе показывает способность изменять эти ключевые свойства с применением электрических полей в устройстве .

]

. Возможность инженерии особенностей электронных структур этого и других материалов может быть очень полезной для реализации некоторых из этих возможностей. Мы сейчас находимся на пороге возможности изучить огромное количество материалов и измерить их электронное поведение и изучить, как эти эффекты развиваются в еще меньших масштабах .

Крис Йозвьяк, автор соавторов

Исследование также указывает на то, что трионы – поразительные трехчастичные комбинации электронов и экситонов (которые связаны парами электронов) и «дырки», их противоположно заряженный аналог – могут пролить свет на эффекты, которые они оценивали в 2D-материале. Электроны, а также дырки функционируют как носители заряда в полупроводниках, наблюдаемые в популярных электронных устройствах.

Ученые приняли форму разрешающей угловой фотоэмиссионной спектроскопии (ARPES) на лучевой линии MAESTRO для удаления электронов из образцов с помощью рентгеновских лучей и получения понимания электронной структуры образцов, зная энергию и направление выталкиваемого электроны. Метод может пролить свет на то, как электроны в материале взаимодействуют друг с другом.

« Существует очень мало прямых наблюдений за частицей, взаимодействующей с двумя или более другими частицами – заявил Эли Ротенберг, старший научный сотрудник ALS, который концептуализировал MAESTRO более 10 лет назад. Он был построен с целью прямого и подробного рассмотрения таких «многочастичных» взаимодействий, которые ранее не выполнялись, заявил он. « Это то, к чему мы стремились, когда мы построили пучок MAESTRO ».

MAESTRO, который был доступен исследователям в 2016 году, также представляет различные станции, которые позволяют исследователям создавать и контролировать образцы для рентгеновских исследований, сохраняя при этом стерильные условия, которые предотвращают загрязнение. MAESTRO является одной из многих линий рентгеновского луча в ALS, специализирующихся на таких образцах, как вакцины, белки, метеориты и батареи.

Согласно Йозвяку, помимо точных оценок МАЭСТРО, осторожная подготовка хлопьев дисульфида вольфрама в размерах, адекватных анализу, и их смещение на основной материал или подложку не препятствуют их электронным характеристикам или препятствуют проведению рентгеновских исследований, которые были также важны в успехе недавних исследований.

Двумерные материалы чрезвычайно чувствительны к их окружению, поэтому необходимо полностью понять роль любых внешних возмущений, которые влияют на их свойства .

Jyoti Katoch, ведущий автор

Каточ сотрудничал с Роландом Каваками, профессором физики штата Огайо, в разработке образцов и разработке эксперимента. Они объединили образцы WS 2 с нитридом бора, что привело к созданию невзаимодействующей, устойчивой платформы, что было очень важно для оценки рентгеновских лучей. Впоследствии они использовали металл как «внешнюю ручку» для изменения характеристик WS 2 .

« Это исследование позволяет сделать два критических прорыва: он дает четкое фундаментальное понимание того, как удалять внешние эффекты при измерении внутренних свойств двухмерных материалов и позволяет нам настраивать свойства двухмерных материалов просто изменяя их среду . "

Søren Ulstrup, доцент из Орхусского университета, который был участником экспериментов MAESTRO в качестве исследователя из Университета 2 в качестве докторанта, заявил: « Наблюдение собственных электронных свойств WS 2 были важным шагом, но, возможно, самый большой сюрприз этого исследования возник, когда мы начали увеличивать число электронов в системе – процесс, называемый допированием ».

»[1945902]. Это приводит к резкому изменению расщепления в зонной структуре WS 2 », – добавил он, что указывает на присутствие трионов.

Согласно Ротенбергу, MAESTRO обладает способностью обрабатывать образцы очень малых размеров порядка десятков микрон, что также важно при анализе этого и других 2D-материалов. « Существует большой толчок к разрешению свойств материалов на меньших и меньших масштабах – заявил он, чтобы получить глубокое знание основных характеристик 2D-материалов. Более того, в настоящее время исследователи стремятся подтолкнуть потенциал MAESTRO к анализу еще более мелких характеристик на наномасштабном уровне.

Jozwiak заявил, что R & D для укладки 2D-слоев для настройки их характеристик для специализированных приложений набрал силу, и MAESTRO наиболее подходит для оценки электронных характеристик этих штабелированных материалов.

Мы можем видеть очень явное влияние на свойства, объединяя два материала, и мы можем видеть, как эти эффекты меняются, когда мы меняем те материалы, которые мы объединяем.

В этом мире «2-D Legos» есть бесконечное множество возможностей, и теперь у нас есть еще одно окно в этих увлекательных поведении .

Крис Йозвяк, автор соавторов

Продвинутый источник света является Управлением по научным средствам науки Министерства энергетики США.

Ученые из Военно-морской исследовательской лаборатории США, Университет штата Огайо и Орхусский университет в Дании также внесли свой вклад в исследование. Образцы, использованные в исследовании, были разработаны в Военно-морской исследовательской лаборатории США и обработаны для экспериментов в Университете штата Огайо.

Управление по энергетическим наукам Министерства энергетики США, Датский совет независимых исследований, VILLUM FONDEN, Швейцарский национальный научный фонд, Национальный научный фонд, Институт нанонаучных исследований ВМС США и Управление ВВС США по Научные исследования поддержали исследование.

Source link