สำหรับนักฟิสิกส์ UW, รูปแบบ 2 มิติของ dithelluride ทังสเตนเต็มไปด้วยความประหลาดใจ

Anonim

ประชาชนทั่วไปอาจคิดถึงศตวรรษที่ 21 ในฐานะยุคเทคโนโลยีแพลตฟอร์มปฏิวัติเช่นสมาร์ทโฟนหรือโซเชียลมีเดีย แต่สำหรับนักวิทยาศาสตร์หลายคนศตวรรษนี้เป็นยุคของแพลตฟอร์มประเภทอื่น: วัสดุสองมิติและความลับที่ไม่คาดคิด

วัสดุ 2 มิติเหล่านี้สามารถจัดทำขึ้นในแผ่นผลึกเป็นชิ้นเดียวเป็นชั้นเดียวมีเพียงหนึ่งหรือไม่กี่อะตอมหนา ภายในโมเลกุลเดี่ยวอิเล็กตรอนถูก จำกัด ว่าจะเคลื่อนที่ได้อย่างไร: เช่นเดียวกับชิ้นส่วนบนกระดานเกมสามารถเคลื่อนที่ไปข้างหน้าได้ด้านหลังหรือด้านแนวทแยงมุม - แต่ไม่ขึ้นหรือลง ข้อ จำกัด นี้ทำให้ monolayers ทำงานได้สองมิติ

ขอบเขต 2 มิติมีคุณสมบัติที่คาดการณ์ได้โดยกลไกกลศาสตร์ควอนตัมกฎความน่าจะเป็นคลื่นซึ่งเป็นตัวกำหนดพฤติกรรมของทุกสสาร เนื่องจากเอกภพ - ตัวแรกที่ออกมาในปีพศ. 2547 นักวิทยาศาสตร์ได้แยกวัสดุ 2 มิติจำนวนมากออกและแสดงให้เห็นว่าคุณสมบัติเหล่านี้มีคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีที่เป็นเอกลักษณ์ซึ่งสามารถปฏิวัติการใช้คอมพิวเตอร์และการสื่อสารโทรคมนาคมได้

สำหรับทีมที่นำโดยนักวิทยาศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยวอชิงตันรูปแบบ 2 มิติของสารประกอบโลหะผสมหนึ่งชนิดคือทังสเตนไฮโดรเจนซัลไฟด์หรือ WTe 2 เป็นวงโคจรของควอนตัม นักวิจัยรายงานการค้นพบล่าสุดเกี่ยวกับ WTe 2: แบบฟอร์ม 2-D สามารถผ่าน "การเปลี่ยนเฟรม ferroelectric" ได้ในหนังสือพิมพ์ที่ตีพิมพ์เมื่อวันที่ 23 กรกฎาคมในวารสาร Nature พวกเขาพบว่าเมื่อสอง monolayers รวม "ส่งผลให้" bilayer "พัฒนาโพลาไรเซชันไฟฟ้าที่เกิดขึ้นเอง โพลาไรซ์นี้สามารถพลิกระหว่างสองรัฐที่ตรงกันข้ามโดยใช้สนามไฟฟ้า

ผู้เขียนอาวุโส David Cobden ผู้เป็นศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์กล่าวว่า "การค้นคว้าเกี่ยวกับการเปลี่ยนวัสดุ ferroelectric ในวัสดุ 2 มิตินี้เป็นความประหลาดใจอย่างสมบูรณ์ "เราไม่ได้มองหามัน แต่เราเห็นพฤติกรรมแปลก ๆ และหลังจากสร้างสมมติฐานเกี่ยวกับธรรมชาติของมันเราได้ออกแบบการทดลองบางอย่างที่ยืนยันได้อย่างดี"

วัสดุที่มีสมบัติทางเฟอร์โรอิเล็กตริกสามารถมีแอพพลิเคชันในการจัดเก็บหน่วยความจำตัวเก็บประจุเทคโนโลยี RFID การ์ดและแม้แต่เซ็นเซอร์ทางการแพทย์

"คิดว่า ferroelectrics เป็นสวิทช์ของธรรมชาติ" Cobden กล่าวว่า "สถานะโพลาไรซ์ของวัสดุเฟอร์โรอิเล็กทริกหมายความว่าคุณมีการกระจายค่าใช้จ่ายที่ไม่สม่ำเสมอภายในวัสดุและเมื่อเกิดการสลับ ferroelectric ค่าใช้จ่ายเหล่านี้จะเคลื่อนที่ไปทั่วๆไปแทนที่จะเป็นไปตามที่พวกเขาต้องการในสวิตช์อิเล็กทรอนิกส์เทียมที่ใช้ทรานซิสเตอร์"

ทีมงานของ UW สร้าง WTe 2 monolayers จากแบบผลึก 3 มิติซึ่งพัฒนาขึ้นโดยผู้ร่วมเขียน Jiaqiang Yan ที่ Oak Ridge National Laboratory และ Zhiying Zhao จาก University of Tennessee, Knoxville จากนั้นทีมงาน UW ทำงานในกล่องแยกออกซิเจนเพื่อป้องกันการสลายตัวของ WTe 2 ใช้เทปสก็อตช์เพื่อขจัดเศษแผ่น WTe 2 บางส่วนออกจากคริสตัลซึ่งเป็นเทคนิคที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการแยก graphene และวัสดุ 2 มิติอื่น ๆ เมื่อแยกแผ่นเหล่านี้ออกแล้วพวกเขาก็สามารถวัดสมบัติทางกายภาพและทางเคมีของพวกเขาได้ซึ่งจะนำไปสู่การค้นพบลักษณะเฉพาะของ ferroelectric

WTe 2 เป็นวัสดุชนิดแรกที่ผ่านการขัดผิวแบบ 2 มิติที่รู้จักกันในชื่อว่า ferroelectric switching ก่อนที่การค้นพบครั้งนี้นักวิทยาศาสตร์ได้เห็นเฉพาะการเปลี่ยน ferroelectric ในฉนวนไฟฟ้า แต่ WTe 2 ไม่ใช่ฉนวนไฟฟ้า มันเป็นโลหะจริงๆแม้ว่าจะไม่ค่อยดี WTe 2 ยังคงรักษาการเปลี่ยนเทอร์โมอิเล็คทรอนิกส์ไว้ที่อุณหภูมิห้องและการเปลี่ยนของมันมีความน่าเชื่อถือและไม่ลดลงตามเวลาซึ่งแตกต่างจากวัสดุที่ใช้ในการผลิตเหล็กแบบ 3 มิติทั่วไปตาม Cobden ลักษณะเหล่านี้อาจทำให้ WTe 2 เป็นวัสดุที่มีแนวโน้มในการใช้งานด้านเทคโนโลยีที่มีขนาดเล็กลงและมีประสิทธิภาพมากขึ้นกว่าสารประกอบ ferroelectric อื่น ๆ

"การรวมกันของลักษณะทางกายภาพที่เราเห็นใน WTe 2 เป็นการเตือนว่าปรากฏการณ์ใหม่ ๆ ทุกชนิดสามารถสังเกตได้ในวัสดุ 2 มิติ" Cobden กล่าว

Ferroelectric switching คือการค้นพบครั้งสำคัญครั้งที่สอง Cobden และทีมงานของเขาได้ทำเกี่ยวกับ WTe แบบ monolayer 2 ในปีพ. ศ. 2560 ใน ฟิสิกส์ธรรมชาติ ทีมรายงานว่าวัสดุนี้ยังเป็น "ฉนวนกันความร้อน topological" ซึ่งเป็นวัสดุ 2 มิติแรกที่มีคุณสมบัติแปลกใหม่นี้

ในฉนวนทางทอพอโลยีการทำงานของคลื่นอิเล็กตรอน - การคำนวณทางคณิตศาสตร์ของรัฐเชิงควอนตัมของพวกเขา - มีความบิดในตัว ด้วยความยากลำบากในการขจัดสิ่งนี้บิดตัวฉนวนเชิงทอพอโลยีอาจมีการประยุกต์ใช้ในการคำนวณเชิงควอนตัมซึ่งเป็นช่องที่ใช้ประโยชน์จากสมบัติทางกลเชิงควอนตัมของอิเล็กตรอนอะตอมหรือคริสตัลเพื่อสร้างพลังงานในการคำนวณซึ่งเร็วกว่าเทคโนโลยีในปัจจุบัน การค้นพบของทีม UW ยังเกิดขึ้นจากทฤษฎีที่พัฒนาขึ้นโดย David J. Thouless ศาสตราจารย์กิตติมศักดิ์ด้านฟิสิกส์ของ UW ซึ่งได้ร่วมรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 2016 ส่วนหนึ่งมาจากผลงานของเขาเกี่ยวกับโทโพโลยีในดินแดน 2 มิติ

Cobden และเพื่อนร่วมงานของเขาวางแผนที่จะสำรวจ WTe แบบ monolayer 2 เพื่อดูว่าพวกเขาสามารถเรียนรู้อะไรได้บ้าง

"ทุกสิ่งทุกอย่างที่เราได้วัดได้เกี่ยวกับ WTe 2 มีความประหลาดใจบางอย่างในเรื่องนี้" Cobden กล่าว "มันน่าตื่นเต้นที่จะคิดว่าสิ่งที่เราอาจพบต่อไป."

menu
menu