Blog

Nowo zsyntetyzowany materiał może stać się podstawą przenośnych urządzeń termoelektrycznych i spintronicznych.

Materiał o wysokiej ruchliwości elektronów jest jak autostrada bez ruchu. Każdy elektron, który wpływa do materiału, przeżywa sen dojeżdżającego do pracy, przelatując bez żadnych przeszkód lub zatorów, które mogłyby je spowolnić lub rozproszyć.

Im wyższa ruchliwość elektronów materiału, tym bardziej wydajna jest jego przewodność elektryczna i tym mniej energii jest tracone lub marnowane, gdy elektrony przelatują. Zaawansowane materiały, które wykazują wysoką ruchliwość elektronów, będą niezbędne dla bardziej wydajnych i zrównoważonych urządzeń elektronicznych, które mogą wykonać więcej pracy przy mniejszej mocy.

Obecnie fizycy z MIT, Army Research Lab i innych ośrodków naukowych osiągnęli rekordowy poziom ruchliwości elektronów w cienkiej warstwie tetradymitu potrójnego – minerału występującego naturalnie w głębokich złożach hydrotermalnych złota i kwarcu.

W ramach tego badania naukowcy wyhodowali czyste, ultracienkie warstwy materiału w sposób, który minimalizował defekty w jego strukturze krystalicznej. Odkryli, że ta niemal idealna warstwa – znacznie cieńsza od ludzkiego włosa – wykazuje najwyższą ruchliwość elektronów w swojej klasie.

Zespół był w stanie oszacować ruchliwość elektronów materiału poprzez wykrywanie oscylacji kwantowych, gdy przepływa przez niego prąd elektryczny. Oscylacje te są sygnaturą kwantowo-mechanicznego zachowania elektronów w materiale. Naukowcy wykryli szczególny rytm oscylacji, który jest charakterystyczny dla wysokiej ruchliwości elektronów – wyższej niż jakakolwiek dotychczasowa trójskładnikowa cienka warstwa tej klasy.

„Wcześniej to, co ludzie osiągnęli pod względem ruchliwości elektronów w tych systemach, było jak ruch na drodze w budowie – jesteś zakorkowany, nie możesz jechać, jest zakurzony i bałagan” – mówi Jagadeesh Moodera, starszy naukowiec badawczy w Departamencie Fizyki MIT. „W tym nowo zoptymalizowanym materiale jest to jak jazda po Mass Pike bez ruchu”.

Wyniki zespołu, które ukazały się dzisiaj w czasopiśmie Materiały Dzisiaj Fizykawskazują na cienkie warstwy tetradymitu potrójnego jako obiecujący materiał dla przyszłej elektroniki, takiej jak przenośne urządzenia termoelektryczne, które wydajnie zamieniają ciepło odpadowe na energię elektryczną. (Tetradymity to aktywne materiały, które powodują efekt chłodzenia w komercyjnych chłodziarkach termoelektrycznych.) Materiał ten mógłby również stanowić podstawę urządzeń spintronicznych, które przetwarzają informacje za pomocą spinu elektronu, zużywając znacznie mniej energii niż konwencjonalne urządzenia oparte na krzemie.

W badaniu wykorzystano również oscylacje kwantowe jako wysoce skuteczne narzędzie pomiaru parametrów elektronicznych materiału.

„Używamy tej oscylacji jako szybkiego zestawu testowego” — mówi autor badania Hang Chi, były naukowiec badawczy w MIT, który obecnie pracuje na University of Ottawa. „Badając ten delikatny kwantowy taniec elektronów, naukowcy mogą zacząć rozumieć i identyfikować nowe materiały dla następnej generacji technologii, które będą napędzać nasz świat”.

Współautorami Chi i Moodery są Patrick Taylor, były pracownik MIT Lincoln Laboratory, a także Owen Vail i Harry Hier z Army Research Lab oraz Brandi Wooten i Joseph Heremans z Ohio State University.

Belka w dół

Nazwa „tetradymit” pochodzi od greckiego słowa „tetra” oznaczającego „cztery” i „dymit” oznaczającego „bliźniak”. Oba terminy opisują strukturę krystaliczną minerału, która składa się z romboedrycznych kryształów, które są „bliźniacze” w grupach po cztery – tzn. mają identyczną strukturę krystaliczną, która dzieli bok.

Tetradymity składają się z kombinacji bizmutu, telluru antymonu, siarki i selenu. W latach 50. naukowcy odkryli, że tetradymity wykazują właściwości półprzewodnikowe, które mogą być idealne do zastosowań termoelektrycznych: minerał w swojej masowej formie krystalicznej był w stanie pasywnie przekształcać ciepło w energię elektryczną.

Następnie, w latach 90. XX wieku, nieżyjąca już profesor Instytutu Mildred Dresselhaus zaproponowała, że ​​właściwości termoelektryczne minerału można znacznie poprawić, nie w jego formie masowej, ale w obrębie jego mikroskopijnej, nanometrycznej powierzchni, gdzie oddziaływania elektronów są bardziej wyraźne. (Heremans pracował wówczas w grupie Dresselhaus).

„Stało się jasne, że gdy patrzysz na ten materiał wystarczająco długo i wystarczająco blisko, dzieją się nowe rzeczy” — mówi Chi. „Ten materiał został zidentyfikowany jako izolator topologiczny, na którego powierzchni naukowcy mogli zaobserwować bardzo interesujące zjawiska. Ale aby wciąż odkrywać nowe rzeczy, musimy opanować wzrost materiału”.

Aby wyhodować cienkie warstwy czystego kryształu, naukowcy zastosowali epitaksję wiązki molekularnej — metodę, w której wiązka cząsteczek jest wystrzeliwana w podłoże, zazwyczaj w próżni i przy precyzyjnie kontrolowanych temperaturach. Gdy cząsteczki osadzają się na podłożu, kondensują się i powoli narastają, jedna warstwa atomowa na raz. Kontrolując czas i rodzaj osadzanych cząsteczek, naukowcy mogą wyhodować ultracienkie warstwy kryształów w dokładnych konfiguracjach, z niewielką liczbą defektów, jeśli w ogóle.

„Zwykle bizmut i tellur mogą zamieniać się miejscami, co powoduje defekty w krysztale” — wyjaśnia współautor Taylor. „System, którego użyliśmy do wyhodowania tych filmów, trafił do mnie z MIT Lincoln Laboratory, gdzie używamy materiałów o wysokiej czystości, aby zminimalizować zanieczyszczenia do niewykrywalnych granic. To idealne narzędzie do eksploracji tych badań”.

Swobodny przepływ

Zespół wyhodował cienkie warstwy tetradymitu potrójnego, każda o grubości około 100 nanometrów. Następnie przetestowali właściwości elektroniczne warstwy, szukając oscylacji kwantowych Shubnikova-de Haasa — zjawiska odkrytego przez fizyków Lwa Shubnikova i Wandera de Haasa, którzy odkryli, że przewodnictwo elektryczne materiału może oscylować, gdy jest wystawiony na działanie silnego pola magnetycznego w niskich temperaturach. Efekt ten występuje, ponieważ elektrony materiału wypełniają określone poziomy energii, które zmieniają się wraz ze zmianą pola magnetycznego.

Takie oscylacje kwantowe mogą służyć jako sygnatura struktury elektronicznej materiału oraz sposobów, w jakie elektrony zachowują się i oddziałują. Dla zespołu MIT oscylacje mogą przede wszystkim określać ruchliwość elektronów materiału: jeśli oscylacje istnieją, musi to oznaczać, że opór elektryczny materiału może się zmieniać, a na podstawie wniosku elektrony mogą być mobilne i łatwo płynąć.

Zespół poszukiwał oznak oscylacji kwantowych w swoich nowych foliach, najpierw wystawiając je na działanie bardzo niskich temperatur i silnego pola magnetycznego, a następnie przepuszczając przez folię prąd elektryczny i mierząc napięcie na jego drodze, jednocześnie dostrajając pole magnetyczne w górę i w dół.

„Okazuje się, ku naszej wielkiej radości i ekscytacji, że opór elektryczny materiału oscyluje” – mówi Chi. „To od razu mówi, że ma on bardzo wysoką ruchliwość elektronów”.

Zespół szacuje, że cienka warstwa tetradymitu potrójnego wykazuje ruchliwość elektronów wynoszącą 10 000 cm²/Vs – najwyższa ruchliwość spośród wszystkich dotychczas zmierzonych warstw tetradymitu potrójnego. Zespół podejrzewa, że ​​rekordowa ruchliwość warstwy ma coś wspólnego z jej niskimi defektami i zanieczyszczeniami, które udało im się zminimalizować dzięki precyzyjnym strategiom wzrostu. Im mniej defektów w materiale, tym mniej przeszkód napotyka elektron i tym swobodniej może płynąć.

„To pokazuje, że można pójść o krok dalej, jeśli odpowiednio kontroluje się te złożone systemy” — mówi Moodera. „To mówi nam, że zmierzamy we właściwym kierunku i mamy odpowiedni system, aby iść dalej, aby udoskonalać ten materiał aż do jeszcze cieńszych warstw i sprzężenia zbliżeniowego do wykorzystania w przyszłej spintronice i przenośnych urządzeniach termoelektrycznych”.