Откройте для себя MAESTRO, платформу нового поколения для рентгеновских экспериментов в Усовершенствованном источнике света (ALS) в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики США (лаборатория Беркли), которая обеспечивает новые микромасштабные изображения этого странного двухмерного мира.В исследовании, опубликованном 22 января в журнале Nature Physics, исследователи сосредоточили внимание на признаках экзотического поведения электронов в двухмерном материале с микромасштабным разрешением.Новые идеи, полученные в результате этих экспериментов, показывают, что свойства изучаемого ими двумерного полупроводникового материала, называемого дисульфидом вольфрама (WS2), могут быть легко настраиваемыми, с возможными приложениями для электроники и других форм хранения, обработки и передачи информации.Эти приложения могут включать устройства следующего поколения, порожденные новыми областями исследований, такими как спинтроника, экситоника и доллотроника.
В этих областях исследователи стремятся манипулировать такими свойствами, как импульс и уровни энергии в электронах материала и соответствующих частицах, чтобы более эффективно переносить и хранить информацию — аналогично переворачиванию единиц и нулей в обычной компьютерной памяти.Спинтроника, например, полагается на управление внутренним свойством электронов, известным как спин, а не их зарядом; экситоника может увеличивать количество носителей заряда в устройствах для повышения эффективности солнечных панелей и светодиодного освещения; а Valleytronics будет использовать разделение в электронных структурах материала как отдельные карманы или «впадины» для хранения информации.
Сигнал, который они измерили с помощью MAESTRO (Microscopic and Electronic Structure Observatory), показал существенно увеличенное расщепление между двумя энергетическими уровнями или «полосами», связанными с электронной структурой материала. Это увеличенное расщепление является хорошим предзнаменованием для его потенциального использования в устройствах спинтроники.Уже известно, что WS2 также сильно взаимодействует со светом. Новые открытия в сочетании с его ранее известными свойствами делают его многообещающим кандидатом для оптоэлектроники, в которой электроника может использоваться для управления испусканием света и наоборот.
«Эти свойства могут быть очень захватывающими с технологической точки зрения», — сказал Крис Джозвиак, штатный научный сотрудник ALS, который был одним из руководителей исследования. Последние исследования «в принципе показывают возможность изменения этих ключевых свойств с помощью приложенных электрических полей в устройстве».Он добавил: «Возможность конструировать особенности электронных структур этого и других материалов может быть очень полезной для реализации некоторых из этих возможностей.
Прямо сейчас мы находимся на грани того, чтобы иметь возможность изучать огромное количество материалов, и измерить их электронное поведение и изучить, как эти эффекты развиваются в еще меньших масштабах ».Исследование также предполагает, что трионы, которые представляют собой экзотические трехчастичные комбинации электронов и экситонов (связанные пары электронов и их противоположно заряженные «дырки»), могут объяснить эффекты, которые они измеряли в двухмерном материале. Дырки и электроны служат носителями заряда в полупроводниках, используемых в популярных электронных устройствах.Исследователи использовали форму ARPES (фотоэмиссионная спектроскопия с угловым разрешением) на канале MAESTRO, чтобы отбросить электроны от образцов с помощью рентгеновских лучей и узнать об электронной структуре образцов по направлению и энергии выброшенных электронов.
Этот метод может решить, как электроны в материале взаимодействуют друг с другом.«Существует очень мало прямых наблюдений за взаимодействием частицы с двумя или более другими частицами», — сказал Эли Ротенберг, старший научный сотрудник ALS, который разработал концепцию MAESTRO более десяти лет назад. По его словам, он был построен с целью непосредственного наблюдения за такими "многотельными" взаимодействиями в деталях, которые раньше были невозможны. «Это то, к чему мы стремились, когда строили балку MAESTRO».
MAESTRO, открытый для ученых в 2016 году, также включает несколько станций, которые позволяют исследователям изготавливать образцы и манипулировать ими для рентгеновских исследований, сохраняя при этом идеальные условия, защищающие их от загрязнения. MAESTRO — один из десятков рентгеновских лучей в ALS, которые специализируются на пробах от белков и вакцин до батарей и метеоритов.В дополнение к точным измерениям MAESTRO, тщательная подготовка чешуек дисульфида вольфрама достаточного размера для исследования и их перенос на основной материал (подложку), который не препятствовал их электронным свойствам и не мешал измерениям рентгеновских лучей, также были важны для Джозвяк отметил успех последнего исследования.Джоти Каточ, ведущий автор исследования и научный сотрудник Университета штата Огайо, сказал: «Двумерные материалы чрезвычайно чувствительны к своему окружению, поэтому крайне важно полностью понимать роль любых внешних возмущений, влияющих на их свойства».
Каточ работал с Роландом Каваками, профессором физики из штата Огайо, над подготовкой образцов и разработкой эксперимента. Они соединили образцы WS2 с нитридом бора, что обеспечило стабильную невзаимодействующую платформу, которая имела решающее значение для рентгеновских измерений. Затем они использовали металл в качестве «внешней ручки», чтобы изменить свойства WS2.
«Это исследование позволяет сделать два важных прорыва: оно дает четкое фундаментальное понимание того, как устранить внешние эффекты при измерении внутренних свойств двухмерных материалов, и позволяет нам настраивать свойства двухмерных материалов, просто изменяя их окружающую среду. "Сорен Улструп, доцент Орхусского университета, который работал над экспериментами WS2 MAESTRO в качестве постдокторского исследователя, добавил: «Увидеть внутренние электронные свойства образцов WS2 было важным шагом, но, возможно, самым большим сюрпризом этого исследования стало то, что мы начал увеличивать количество электронов в системе — процесс, называемый легированием.«Это привело к резкому изменению расщепления в зонной структуре WS2», — сказал он, что предполагает присутствие трионов.По словам Ротенберга, MAESTRO может обрабатывать образцы очень малых размеров, порядка десятков микрон, что также является ключевым фактором при изучении этого и других двухмерных материалов. «Существует большой толчок к разрешению свойств материалов в все меньших и меньших масштабах», — сказал он, чтобы лучше понять фундаментальные свойства двухмерных материалов, и сейчас ученые работают над расширением возможностей MAESTRO для изучения даже более мелких деталей — вплоть до наномасштаб.
По словам Йозвиака, RD ускоряет наложение двухмерных слоев, чтобы адаптировать их свойства к конкретным приложениям, и MAESTRO также хорошо подходит для измерения электронных свойств этих наложенных друг на друга материалов.«Мы можем видеть очень явное влияние на свойства, комбинируя два материала, и мы можем видеть, как эти эффекты меняются, когда мы меняем, какие материалы мы комбинируем», — сказал он.
«В этом мире« 2-D Lego »есть бесконечное множество возможностей, и теперь у нас есть еще одно окно в эти увлекательные формы поведения».