物理学家发现石墨烯的重要和意外的电子特性 - 可以为下一代计算机提供电源

新型铁电材料的纳米结构

艺术家由麻省理工学院研究人员和同事开发的新铁电材料的纳米镜结构表示。蓝色和金点代表硼和氮化物原子的两个原子薄片氮化硼。在这些薄片之间是两层石墨烯;白炽/蓝色点代表碳原子。通过该图运行的金垂直线代表了电子的运动。
资料来源:艾拉·马鲁工作室

非常规的铁电形式可能会影响下一代计算机。

麻省理工学院研究人员和同事们最近发现了一种重要的——而且出乎意料的——电子特性石墨烯这是一种17年前才被发现的物质,它有趣的物理特性一直让科学家们感到惊讶。这项工作涉及到由原子厚度的材料层组成的结构,同时也具有生物相容性,可能会带来新的、更快的信息处理范式。一个潜在的应用是神经形态计算,它的目标是复制人体内负责从行为到记忆的一切的神经元细胞。

这项工作还引入了研究人员很兴奋探索的新物理。

“石墨烯基异质结构继续产生迷人的惊喜。我们观察的非传统的铁电性在这个简单和超薄系统挑战对铁电系统,许多流行的假设,它可能为整整一代新型铁电体材料,”巴勃罗Jarillo-Herrero说塞西尔和艾达绿色麻省理工学院物理学教授和领袖的工作,涉及与其他五个麻省理工学院教授从三个部门合作。

一个新的属性

石墨烯由单层碳原子组成,布置在类似蜂窝结构的六边形中。由于材料的发现,科学家们已经表明,石墨烯层的不同配置可以产生各种重要的特性。基于石墨烯的结构可以是超导体,其导电而不电阻,或绝缘体,防止电动的电力。他们甚至发现展示磁性。

在这项工作中,这是报道自然麻省理工学院的研究人员和同事证明,双层石墨烯也可以是铁电的。这意味着材料中的正电荷和负电荷可以自发地分离成不同的层。

Zhiren Isaac Zheng拥有新的铁电结构

郑智仁举着他的团队新铁电结构的样本(郑智仁头顶上的黑色小正方形带着金色的边)。这个黄金结构位于一个无低温稀释冰箱的内部,研究人员用它来测量新结构。来源:麻省理工学院

在大多数材料中,相反的电荷彼此吸引;他们想结合。只有电场的应用将迫使它们到相对的侧面或杆。在铁电材料中,不需要外部电场以使电荷分开,从而产生自发极化。然而,外部电场的应用确实具有效果:相反方向的电场将导致电荷切换侧面并反转偏振。

对于所有这些原因,铁电材料用于各种电子系统,从医疗超声波到射频识别卡。

然而,传统的铁电体是绝缘体。麻省理工学院领导的团队基于石墨烯的铁电性研究通过一种完全不同的机制——不同的物理机制——使其能够导电。这就打开了无数额外的应用程序。“我们在这里发现的是一种新型铁电材料,”麻省理工学院物理学研究生郑智仁(音译)说自然纸。

该论文的共同作者、波士顿学院助理教授马琼(音译)的16岁博士对这项研究进行了全面的分析。“人们一直在努力克服与传统铁电相关的挑战。例如,随着器件不断小型化,铁电相变得不稳定。有了我们的材料,其中一些挑战可能会自动解决。马云以博士后的身份通过麻省理工学院的材料研究实验室(MRL)进行了目前的工作。

除了Jarillo-Herrero, Zheng和Ma,论文的其他作者是宾夕法尼亚州立大学的Zhen Bi;Sergio de la Barrera, MRL博士后;刘明昊国立成功大学;毛南南,麻省理工学院电子研究实验室博士后;张杨,博士后;ETH的娜塔莎·基珀Zürich;麻省理工学院电子工程与计算机科学系教授孔靖;麻省理工学院化学工程系ARCO职业发展教授William Tisdale;麻省理工学院物理系教授Ray Ashoori;物理系教授Nuh Gedik; Liang Fu, MIT’s Lawrence C. (1944) and Sarah W. Biedenharn Career Development Associate Professor of Physics, and Su-Yang Xu of Harvard University.

重要模式

该团队创造的结构由两层石墨烯组成 - 双层 - 夹在上下和下方的原子薄层之间的原子薄层。每个BN层与另一个略微不同的角度。从上面看,结果是一种独特的模式,称为莫尔超晶格。据说,莫尔图·图案又可以显着改变材料的性质,“郑说。

Jarillo-Herrero的小组在2018年展示了这一重要例子。在那项工作中,还报道了自然,研究人员堆叠了两层石墨烯。然而,这些层并不完全彼此之上;相反,一个人以1.1度的“魔法角度”略微旋转。所得到的结构产生了一种莫尔图的图案,其又允许石墨烯是超导体或绝缘体,这取决于由电场提供的系统中的电子数量。基本上球队能够“调整石墨烯在两种极端电性下的行为”。

“所以通过创建moiré结构,石墨烯就不再是石墨烯了。它几乎会神奇地变成非常、非常不同的东西。”

在目前的工作中,研究人员用石墨烯和氮化硼薄片创建了一个moiré模式,这已经产生了一种新的铁电形式。电子通过该结构的运动所涉及的物理原理与传统铁电体的不同。

“由麻省理工学院组织展示的铁电性是迷人的,”哈佛大学的物理学和应用物理教授Philip Kim说,他不参与研究。“这项工作是第一次报告纯电子铁电性的演示,其在底层格子中没有离子运动的情况表现出电荷极化。这个令人惊讶的发现肯定会邀请进一步的研究,可以揭示更令人兴奋的紧急现象,并提供了利用它们进行超短速存储器应用的机会。“

研究人员的目标是继续这项工作,不仅要证明这种新材料在各种应用方面的潜力,而且要发展对其物理特性的更好理解。“仍然有许多我们不能完全理解的谜团,这些谜团从根本上来说非常有趣,”马说。

参考文献:“莫尔·奇异性的非传统铁能力”由朱仁郑,琼马,甄····斯塔拉,明浩刘,曼南毛,杨章,娜塔莎克,京田·沃塔纳,京康,威廉A。Tisdale,Ray Ashoori,Nuh Gedik,梁富,苏阳徐和巴勃罗·贾里罗 - 赫雷罗,2020年11月23日,自然
DOI:10.1038 / S41586-020-2970-9

这项工作得到了美国能源部、Gordon and Betty Moore基金会、美国空军科学研究办公室、美国国家科学基金会、日本文部科学技术省(MEXT)和台湾省科技部的支持。

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