ניסויי רנטגן מציעים יכולת כוונון גבוהה של חומר דו-ממדי

Anonim

כדי לראות מה מניע את ההתנהגות האקזוטית בכמה חומרים אטומיים רזים או 2-D, ולברר מה קורה כאשר הם מוערמים כמו לבנים לגו בשילובים שונים עם חומרים ultrathin אחרים, המדענים רוצים להתבונן המאפיינים שלהם בבית הקטן ביותר האפשרי מאזניים.

הזן MAESTRO, פלטפורמת הדור הבא עבור ניסויים רנטגן בבית מתקדם מקור אור (ALS) במחלקה של אנרגיה לורנס ברקלי המעבדה הלאומית (ברקלי מעבדה), זה מספק תצוגות מיקרוסקאל חדש של העולם הזה מוזר 2-D.

במחקר שפורסם ב -22 בינואר בכתב העת Nature Physics, החוקרים איפסו בחתימות של התנהגות אקזוטית של אלקטרונים בחומר דו-ממדי עם רזולוציה מיקרוסקלית.

התובנות החדשות שנלקחו מניסויים אלה מראות כי המאפיינים של חומר מוליך למחצה דו-ממדי שנחקרו, הנקראים טונגסטן דיסולפיד (WS2), עשויים להיות מתוחכמים מאוד, עם יישומים אפשריים לאלקטרוניקה וצורות אחרות של אחסון, עיבוד והעברה של מידע.

יישומים אלה יכולים לכלול התקנים הבאים- gen הבולטים מתחומים חדשים של מחקר כמו ספינטרוניקה, אקסיטוניקה ו valleytronics. בתחומים אלה, החוקרים מבקשים לתמרן מאפיינים כמו מומנטום ורמות אנרגיה באלקטרונים של חומר וחלקיקים מקבילים, כך שיישא ויעביר מידע בצורה יעילה יותר - מקביל להפיכתם של אפסים ואפס בזיכרון המחשב הרגיל.

הספינטרוניקה, למשל, מסתמכת על השליטה ברכוש מובנה של אלקטרונים המכונה ספין, ולא על המטען שלהם; excitonics יכול להכפיל נושאות במכשירים כדי לשפר את היעילות של פאנלים סולאריים ותאורה LED; ו valleytronics ישתמש הפרדות במבנים אלקטרוניים של חומר כמו כיסים נפרדים או "עמקים" לאחסון מידע.

האות שאותו מדדו באמצעות תצפית מאסטרו (מיקרוסקופי ואלקטרוני) חשף פיצול משמעותי בין שתי רמות אנרגיה, או "להקות", הקשורות למבנה האלקטרוני של החומר. זה פיצול מוגבר מבשר טובות עבור השימוש הפוטנציאלי שלה התקנים ספינטרוניקה.

WS2 כבר ידוע אינטראקציה חזקה עם האור, יותר מדי. הממצאים החדשים, בשילוב עם תכונות ידועות קודם שלה, הופכים אותו למועמד מבטיח לאופטואלקטרוניקה, שבו האלקטרוניקה יכולה לשמש לשליטה על שחרור האור, ולהיפך.

"תכונות אלו יכולות להיות מלהיבות מאוד מבחינה טכנולוגית", אמר כריס ג'וזוויק, מדען של ALS, שהוביל את המחקר. המחקר האחרון "באופן עקרוני מראה את היכולת לשנות תכונות מפתח אלה עם שדות חשמליים מיושמים בהתקן."

הוא הוסיף, "היכולת להנדס את התכונות של המבנים האלקטרוניים של זה וחומרים אחרים יכול להיות מאוד שימושי בהפיכת חלק מן האפשרויות הללו להתגשם.אנחנו עכשיו על סף להיות מסוגל ללמוד מגוון עצום של חומרים, וכדי למדוד את ההתנהגות האלקטרונית שלהם ולחקור כיצד מתפתחים השפעות אלה בקשקשים קטנים יותר ".

המחקר גם מציע כי trions, אשר אקזוטיים שלושה צדדים שילובים של אלקטרונים אקסיטונים (זוגות מאוגדים של האלקטרונים ואת עמיתיהם טעונה בניגוד "חורים"), יכול להסביר את ההשפעות שהם נמדדים בחומר 2-D. חורים ואלקטרונים משמשים גם כמובילי חיוב במוליכים למחצה הנמצאים במכשירים אלקטרוניים פופולריים.

החוקרים השתמשו בצורה של ARPES (זווית ספקטרוסקופית זוויתית נפתרה זווית) על beamline MAESTRO לבעוט משם electrons מ דגימות עם צילומי רנטגן וללמוד על המבנה האלקטרוני של דגימות מהכיוון האלקטרונים הנפלטים ואנרגיה. הטכניקה יכולה לפתור כיצד האלקטרונים בחומר אינטראקציה זה עם זה.

"יש מעט מאוד תצפיות ישירות של חלקיק המקיים אינטראקציה עם שני חלקיקים או יותר", אמר אלי רוטנברג, מדען בכיר ב- ALS, שהגה את MAESTRO לפני יותר מעשור. הוא נבנה במטרה לבחון באופן ישיר אינטראקציות מסוג "גוף רבים" בפירוט לא אפשרי לפני, אמר. "זה מה שאנחנו הולכים על כאשר בנינו את beastline MAESTRO."

MAESTRO, שנפתח למדענים ב -2016, כולל גם מספר תחנות שמאפשרות לחוקרים לפברק ולטפל בדגימות של צילומי רנטגן, תוך שמירה על תנאים וטהורים המגנים עליהם מפני זיהום. MAESTRO הוא אחד מבין עשרות רנטגן beamlines ב ALS כי הם התמחה עבור דגימות החל חלבונים וחיסונים סוללות מטאוריטים.

בנוסף למדידות מדויקות של MAESTRO, הכנה זהירה של טונגסטן disflfide פתיתים בגודל מספיק ללימוד, והעברתם חומר בסיס (המצע), כי לא לעכב את המאפיינים האלקטרוניים שלהם או לחסום את המדידות רנטגן היו חיוניים גם את ההצלחה של המחקר האחרון, ציין Jozwiak.

ג'יוטי קאטוך, הכותב הראשי של המחקר וחוקר מחקר באוניברסיטת אוהיו, אמר כי "חומרים דו מימדיים רגישים מאוד לסביבתם, ולכן חיוני להבין את התפקיד של כל הפרעה חיצונית שמשפיעה על תכונותיהם".

קאטוך עבד עם רולנד קאוקאמי, פרופסור לפיסיקה באוניברסיטת אוהיו, בהכנת הדגימות ועיצוב הניסוי. הם מצמידים דגימות של WS2 לבורון ניטריד, אשר סיפק פלטפורמה יציבה ולא אינטראקטיבית שהייתה חיונית למדידות הרנטגן. לאחר מכן הם השתמשו מתכת כמו "כפתור חיצוני" כדי לשנות את המאפיינים של WS2.

"מחקר זה מאפשר שתי פריצות דרך קריטיות: הוא מספק הבנה בסיסית ברורה כיצד להסיר תופעות חיצוניות בעת מדידת התכונות המהותיות של חומרים דו-ממדיים, והוא מאפשר לנו לכוונן את המאפיינים של חומרים דו-ממדיים על ידי שינוי סביבתם. "

Søren Ulstrup, פרופסור באוניברסיטת Aarhus שעבד על הניסויים של WS2 MAESTRO כחוקר פוסט-דוקטורט, הוסיף כי "ראיית המאפיינים האלקטרוניים הפנימיים של הדגימות WS2 הייתה צעד חשוב, אבל אולי ההפתעה הגדולה ביותר במחקר זה התפתחה כאשר אנו החלה להגדיל את מספר האלקטרונים במערכת - תהליך הנקרא סימום.

"זה מוביל לשינוי דרמטי של פיצול במבנה הלהקה של WS2, " הוא אמר, מה שמרמז על נוכחות של trions.

MAESTRO יכול להתמודד עם גודל מדגם קטן מאוד, בסדר גודל של עשרות מיקרון, ציין Rotenberg, שהוא גם מפתח בחקר זה וחומרים אחרים D-2. "יש דחיפה גדולה כדי לפתור את המאפיינים של חומרים על קשקשים קטנים וקטנים יותר", הוא אמר, כדי להבין טוב יותר את המאפיינים הבסיסיים של חומרים דו-ממדיים, ומדענים פועלים כעת לדחוף את יכולותיו של מאסטרו ללמוד תכונות קטנות עוד יותר - ננומטרי.

יש R & D מואץ לתוך הערמה 2-D שכבות כדי להתאים את המאפיינים שלהם עבור יישומים מיוחדים, אמר Jozwiak, ו MAESTRO הוא מתאים היטב למדידת המאפיינים האלקטרוניים של חומרים אלה מוערמים, מדי.

"אנחנו יכולים לראות השפעה מאוד מפורשת על המאפיינים על ידי שילוב של שני חומרים, ואנחנו יכולים לראות איך השפעות אלה משתנים כאשר אנו משנים אילו חומרים אנחנו משלבים", אמר.

"יש מגוון אינסופי של אפשרויות בעולם הזה של '2-D לגו', ועכשיו יש לנו חלון נוסף לתוך התנהגויות מרתקות אלה.

menu
menu