Wetenschappers observeren record-elektronenbeweging in nieuwe kristallijne film MIT-nieuws

Een materiaal met een hoge elektronenmobiliteit is als een verkeersvrije snelweg. Alle elektronen die de materie binnenstromen, passeren de droom van elke reiziger, omdat ze er doorheen gaan zonder obstakels of drukte die hen zouden kunnen vertragen of van hun pad zouden kunnen halen.

Hoe meer elektronen in een materiaal bewegen, hoe efficiënter het elektriciteit geleidt, en hoe minder energie verloren gaat of verspild wordt als de elektronen er doorheen gaan. Geavanceerde materialen met een hoge elektronenmobiliteit zullen essentieel zijn voor efficiëntere en duurzamere elektronische apparaten die meer werk kunnen doen met minder energie.

Nu hebben natuurkundigen van het MIT, het Army Research Laboratory en elders een recordniveau van elektronenmobiliteit bereikt in een dunne laag ternair tetradymiet – een klasse mineralen die van nature voorkomen in diepe hydrothermale afzettingen van goud en kwarts.

In deze studie lieten wetenschappers zeer dunne, zuivere films van het materiaal groeien, op een manier die defecten in de kristallijne structuur minimaliseerde. Ze ontdekten dat deze bijna perfecte film – veel dunner dan een mensenhaar – de hoogste elektronenmobiliteit in zijn klasse vertoont.

Het team kon de elektronenbeweging in het materiaal schatten door kwantumoscillaties te detecteren wanneer er een elektrische stroom doorheen gaat. Deze oscillaties zijn een teken van het kwantummechanische gedrag van elektronen in materie. De onderzoekers ontdekten een specifiek ritme van oscillaties dat kenmerkend is voor een hoge elektronenmobiliteit – hoger dan tot nu toe in alle drievoudige dunne films van deze klasse.

“Vroeger was wat mensen met deze systemen bereikten op het gebied van e-mobiliteit vergelijkbaar met verkeer op een weg in aanbouw: je zit vast, je kunt niet rijden, het is stoffig, het is een puinhoop”, zegt Jagadish Modira, een van de onderzoekers. Een senior onderzoeker bij het MIT Department of Physics. “In dit nieuw verbeterde materiaal is het alsof je op Mass Pike rijdt zonder verkeer.”

Teamresultaten dat Laat je vandaag zien In het tijdschrift Materialen vandaag de dag natuurkundeDe onderzoekers wijzen op trigonale tetragonale dunne films als een veelbelovend materiaal voor toekomstige elektronica, zoals draagbare thermo-elektrische apparaten die afvalwarmte efficiënt omzetten in elektriciteit. (Tetradymieten zijn de actieve materialen die het koeleffect veroorzaken in commerciële thermo-elektrische koelers.) Het materiaal zou ook de basis kunnen vormen voor spintronische apparaten, die informatie verwerken met behulp van de spin van een elektron, waarbij ze veel minder energie gebruiken dan traditionele op silicium gebaseerde apparaten.

De studie maakt ook gebruik van kwantumoscillaties als een zeer effectief hulpmiddel om de elektronische prestaties van een materiaal te meten.

“We gebruiken deze oscillatie als een snelle testset”, zegt studieauteur Huang Qi, een voormalig onderzoeker aan het MIT en nu werkzaam aan de Universiteit van Ottawa. “Door deze precieze kwantumdans van elektronen te bestuderen, kunnen wetenschappers nieuwe materialen gaan begrijpen en identificeren voor de volgende generatie technologieën die onze wereld van energie zullen voorzien.”

Co-auteurs van Chi en Modera zijn onder meer Patrick Taylor, voorheen van het Lincoln Laboratory van MIT, samen met Owen Fell en Harry Hare van het Army Research Laboratory, en Brandy Wooten en Joseph Hermans van de Ohio State University.

Straal naar beneden

De naam “tetradymiet” is afgeleid van het Griekse woord “tetra” dat “vier” betekent en “diamet” dat “tweeling” betekent. Beide termen beschrijven de kristallijne structuur van het mineraal, die bestaat uit ruitvormige kristallen die in groepen van vier zijn ‘verbonden’ – dat wil zeggen dat ze identieke kristalstructuren hebben die één kant delen.

Edemite-tetrameren bestaan ​​uit combinaties van bismut, antimoon, tellurium, zwavel en selenium. In de jaren vijftig ontdekten wetenschappers dat tetragonaal adamiet halfgeleidende eigenschappen had die ideaal zouden kunnen zijn voor thermo-elektrische toepassingen: het mineraal in zijn bulkkristallijne vorm kon warmte passief omzetten in elektriciteit.

Vervolgens suggereerde wijlen professor Mildred Dresselhaus in de jaren negentig dat de thermo-elektrische eigenschappen van het metaal dramatisch zouden kunnen worden verbeterd, niet in zijn bulkvorm, maar binnen het microscopische oppervlak op nanometerschaal, waar de elektroneninteracties het meest uitgesproken zijn. (Hermans werkte destijds toevallig bij de Dresselhaus Groep.)

“Het werd duidelijk dat als je lang genoeg en dichtbij genoeg naar dit materiaal kijkt, er nieuwe dingen zullen gebeuren”, zegt Chi. “Dit materiaal is geïdentificeerd als een topologische isolator, op wiens oppervlak wetenschappers zeer interessante verschijnselen kunnen zien. Maar om nieuwe dingen te blijven ontdekken, moeten we de materiële groei onder de knie krijgen.

Om dunne films van pure kristallen te produceren, gebruikten de onderzoekers moleculaire straaldiffusie – een methode waarbij een bundel moleculen op een substraat wordt afgevuurd, meestal in een vacuüm, bij nauwkeurig gecontroleerde temperaturen. Terwijl de moleculen zich op het substraat afzetten, condenseren ze langzaam en bouwen ze zich op, atomaire laag per keer. Door de timing en het type afgezette moleculen te controleren, kunnen wetenschappers ultradunne kristallijne films produceren in precieze configuraties, met weinig of geen defecten.

“Bismuth en tellurium wisselen normaal gesproken van positie, waardoor defecten in het kristal ontstaan”, legt co-auteur Taylor uit. “Het systeem dat we gebruikten om deze films te laten groeien, kwam van het Lincoln Laboratory van MIT, waar we materialen met een hoge zuiverheid gebruiken om onzuiverheden tot oneindig kleine limieten terug te brengen. “Het is het perfecte hulpmiddel om dit onderzoek te verkennen.”

Vrije stroom

Het team produceerde dunne films van ternair ademiet, elk ongeveer 100 nanometer dik. Vervolgens testten ze de elektronische eigenschappen van de film door te zoeken naar kwantumoscillaties van Shubnikov de Haas – een fenomeen ontdekt door natuurkundigen Lev Shubnikov en Wander de Haas, die ontdekten dat de elektrische geleidbaarheid van een materiaal kan oscilleren wanneer het wordt blootgesteld aan een sterk magnetisch veld bij lage temperaturen. . Dit effect treedt op omdat de elektronen van het materiaal specifieke energieniveaus vullen die veranderen als het magnetische veld verandert.

Dergelijke kwantumoscillaties kunnen een teken zijn van de elektronische structuur van materie, en van de manieren waarop elektronen zich gedragen en op elkaar inwerken. Belangrijker voor het MIT-team is dat oscillaties het vermogen van een materiaal om elektronisch te bewegen kunnen bepalen: als er oscillaties bestaan, betekent dit dat de elektrische weerstand van het materiaal kan veranderen en, als gevolg daarvan, elektronen mobiel kunnen zijn en gemakkelijk kunnen stromen.

Het team zocht naar tekenen van kwantumoscillaties in hun nieuwe films door ze eerst bloot te stellen aan extreem koude temperaturen en een sterk magnetisch veld, vervolgens een elektrische stroom door de film te laten gaan en de spanning langs zijn pad te meten terwijl ze het magnetische veld naar boven afstemden. onder.

“Tot onze grote vreugde blijkt dat de elektrische weerstand van het materiaal oscilleert”, zegt Chi. “Dat vertelt je meteen dat dit een zeer hoge elektronenmobiliteit heeft.”

Concreet schat het team dat de dunne film van ternair tetrapyriet een elektronenmobiliteit vertoont van 10.000 cm3.²/Vs — De hoogste mobiliteit van alle tot nu toe gemeten triple-tetradymietfilms. Het team vermoedt dat de standaardbeweging van de film iets te maken heeft met het ontbreken van defecten en onzuiverheden, die ze met behulp van zorgvuldige groeistrategieën hebben kunnen verminderen. Hoe minder defecten het materiaal heeft, hoe minder obstakels het elektron tegenkomt en hoe meer vrijheid het kan stromen.

“Dit laat zien dat het mogelijk is om een ​​gigantische stap voorwaarts te zetten als we deze complexe systemen goed beheersen”, zegt Modera. “Dit vertelt ons dat we in de goede richting zitten, dat we het juiste systeem hebben om verder te verbeteren dit materiaal in veel dunnere films en verbind de nabijheid met gebruik.”

Dit onderzoek werd gedeeltelijk ondersteund door het Army Research Office, de National Science Foundation, het Office of Naval Research, het Canada Research Chairs Program en de Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada.