Per vedere cosa sta guidando il comportamento esotico in alcuni materiali atomicamente sottili o 2-D, e scopri cosa succede quando vengono impilati come i mattoncini Lego in diverse combinazioni con altri materiali ultrasottili, gli scienziati vogliono osservare le loro proprietà alle scale più piccole possibili.

Entra MAESTRO, una piattaforma di nuova generazione per esperimenti a raggi X presso l'Advanced Light Source (ALS) presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Department of Energy, che fornisce nuove viste in microscala di questo strano mondo 2-D.

In uno studio pubblicato il 22 gennaio sulla rivista Fisica della natura , i ricercatori si sono concentrati sulle firme del comportamento esotico degli elettroni in un materiale 2-D con risoluzione su microscala.

Le nuove intuizioni raccolte da questi esperimenti mostrano che le proprietà del materiale semiconduttore 2-D che hanno studiato, chiamato disolfuro di tungsteno (WS2), può essere altamente sintonizzabile, con possibili applicazioni per l'elettronica e altre forme di memorizzazione delle informazioni, in lavorazione, e trasferimento.

Tali applicazioni potrebbero includere dispositivi di nuova generazione generati da campi di ricerca emergenti come la spintronica, Eccitonica e Valleytronica. In questi campi, i ricercatori cercano di manipolare proprietà come quantità di moto e livelli di energia negli elettroni di un materiale e nelle particelle controparti per trasportare e memorizzare in modo più efficiente le informazioni, analogamente al ribaltamento di uno e zero nella memoria del computer convenzionale.

Spintronica, Per esempio, si basa sul controllo di una proprietà intrinseca degli elettroni nota come spin, piuttosto che la loro carica; l'eccitonica potrebbe moltiplicare i portatori di carica nei dispositivi per migliorare l'efficienza dei pannelli solari e dell'illuminazione a LED; e la valletronica utilizzerebbe le separazioni nelle strutture elettroniche di un materiale come tasche distinte o "valli" per memorizzare le informazioni.

Il segnale che hanno misurato utilizzando MAESTRO (Microscopic and Electronic Structure Observatory) ha rivelato una ripartizione sostanzialmente maggiore tra due livelli di energia, o "bande, " associato alla struttura elettronica del materiale. Questa maggiore scissione è di buon auspicio per il suo potenziale utilizzo nei dispositivi spintronici.

WS2 è già noto per interagire fortemente con la luce, pure. Le nuove scoperte, insieme alle sue proprietà precedentemente note, ne fanno un candidato promettente per l'optoelettronica, in cui l'elettronica può essere utilizzata per controllare il rilascio di luce, e viceversa.

"Queste proprietà potrebbero essere molto interessanti dal punto di vista tecnologico, " ha detto Chris Jozwiak, uno scienziato dello staff di SLA che ha co-diretto lo studio. L'ultima ricerca "in linea di principio mostra la capacità di modificare queste proprietà chiave con campi elettrici applicati in un dispositivo".

Ha aggiunto, "La capacità di progettare le caratteristiche delle strutture elettroniche di questo e di altri materiali potrebbe essere molto utile per realizzare alcune di queste possibilità. Siamo proprio ora sull'orlo di poter studiare un'enorme varietà di materiali, e misurare il loro comportamento elettronico e studiare come questi effetti si sviluppano su scale ancora più piccole".

Lo studio suggerisce anche che trioni, che sono combinazioni esotiche di tre particelle di elettroni ed eccitoni (coppie di elettroni legati e la loro controparte di carica opposta "buchi"), potrebbe spiegare gli effetti che hanno misurato nel materiale 2-D. I fori e gli elettroni fungono entrambi da portatori di carica nei semiconduttori presenti nei dispositivi elettronici più diffusi.

I ricercatori hanno utilizzato una forma di ARPES (spettroscopia di fotoemissione ad angolo risolta) presso la linea di luce MAESTRO per allontanare gli elettroni dai campioni con raggi X e conoscere la struttura elettronica dei campioni dalla direzione e dall'energia degli elettroni espulsi. La tecnica può risolvere il modo in cui gli elettroni nel materiale interagiscono tra loro.

"Ci sono pochissime osservazioni dirette di una particella che interagisce con due o più altre particelle, " ha detto Eli Rotenberg, uno scienziato senior dello staff della SLA che ha concettualizzato MAESTRO più di dieci anni fa. È stato costruito con l'obiettivo di osservare direttamente tali interazioni "a molti corpi" in dettaglio non possibili prima, Egli ha detto. "Questo è ciò che stavamo cercando quando abbiamo costruito la linea di luce MAESTRO."

MAESTRO, che ha aperto agli scienziati nel 2016, dispone anche di diverse stazioni che consentono ai ricercatori di fabbricare e manipolare campioni per studi a raggi X mantenendo condizioni incontaminate che li proteggono dalla contaminazione. MAESTRO è una delle dozzine di linee di raggi X della SLA specializzate per campioni che vanno da proteine ​​e vaccini a batterie e meteoriti.

Oltre alle misurazioni precise del MAESTRO, l'accurata preparazione dei fiocchi di disfulfio di tungsteno di dimensioni sufficienti per lo studio, e anche il loro trasferimento su un materiale di base (substrato) che non ostacolasse le loro proprietà elettroniche o ostacolasse le misurazioni dei raggi X, è stato fondamentale per il successo dell'ultimo studio, Jozwiak ha notato.

Jyoti Katoch, l'autore principale dello studio e ricercatore presso la Ohio State University, disse, "I materiali bidimensionali sono estremamente sensibili all'ambiente circostante, quindi è imperativo comprendere appieno il ruolo di eventuali disturbi esterni che influiscono sulle loro proprietà".

Katoch ha lavorato con Roland Kawakami, un professore di fisica all'Ohio State, nella preparazione dei campioni e nella progettazione dell'esperimento. Hanno accoppiato campioni di WS2 al nitruro di boro, che forniva una stalla, piattaforma non interagente che è stata cruciale per le misurazioni a raggi X. Quindi hanno usato un metallo come "manopola esterna" per modificare le proprietà del WS2.

"Questo studio consente due scoperte fondamentali:fornisce una chiara comprensione fondamentale di come rimuovere gli effetti esterni quando si misurano le proprietà intrinseche dei materiali 2-D, e ci permette di mettere a punto le proprietà dei materiali 2-D semplicemente modificando il loro ambiente."

Soren Ulstrup, un assistente professore all'Università di Aarhus che aveva lavorato agli esperimenti WS2 MAESTRO come ricercatore post-dottorato, aggiunto, "Vedere le proprietà elettroniche intrinseche dei campioni WS2 è stato un passo importante, ma forse la sorpresa più grande di questo studio è emersa quando abbiamo iniziato ad aumentare il numero di elettroni nel sistema, un processo chiamato doping.

"Questo ha portato al drammatico cambiamento della scissione nella struttura a bande di WS2, " Egli ha detto, che suggerisce la presenza di trioni.

MAESTRO è in grado di gestire campioni di dimensioni molto ridotte, nell'ordine delle decine di micron, ha osservato Rotenberg, che è anche una chiave per studiare questo e altri materiali 2-D. "C'è una grande spinta per risolvere le proprietà dei materiali su scale sempre più piccole, " Egli ha detto, per comprendere meglio le proprietà fondamentali dei materiali 2-D, e gli scienziati stanno ora lavorando per spingere le capacità di MAESTRO a studiare caratteristiche ancora più piccole, fino alla nanoscala.

Si sta accelerando la ricerca e lo sviluppo nell'impilamento di strati 2D per adattare le loro proprietà per applicazioni specializzate, Jozwiak ha detto, e MAESTRO è adatto a misurare le proprietà elettroniche di questi materiali impilati, pure.

"Possiamo vedere un impatto molto esplicito sulle proprietà combinando due materiali, e possiamo vedere come questi effetti cambiano quando cambiamo i materiali che stiamo combinando, " Egli ha detto.

"C'è una gamma infinita di possibilità in questo mondo di 'Lego 2-D, ' e ora abbiamo un'altra finestra su questi affascinanti comportamenti".