В ходе проверки концепции команда также создала более прочные кристаллы селенида галлия. Это достижение может продвинуть развитие технологий терагерцовой и спинтроники, используемых в ряде приложений, от медицинской визуализации до квантовых компьютеров.«Это первый случай, когда кто-либо непосредственно измерил силу связи Ван-дер-Ваальса в слоях кристалла», — сказал один из авторов Тадао Танабе. «Даже старшеклассники знают об этой силе, но в кристаллах ее было очень трудно измерить напрямую».
Хотя использование кристаллов селенида галлия считается многообещающим для многих технологий, им мешает тот факт, что они известны своей хрупкостью. Чтобы сделать их сильнее, команда Танабэ, в том числе коллега из Департамента материаловедения Ютака Ояма, вообразила выращивание кристаллов с небольшими количествами селена, замененными на редкий элемент теллур.Исследователи предположили, что более крупное электронное облако теллура будет создавать большие силы Ван-дер-Ваальса между кристаллическими слоями, укрепляя общую структуру.
Ван-дер-Ваальс — это слабые электрические силы, которые притягивают атомы друг к другу посредством тонких сдвигов в электронных конфигурациях атомов.Команда вырастила и сравнила три разных типа кристаллов: один чистый селенид галлия, один с 0,6% теллура и один с 10,6% теллура. Чтобы проверить влияние теллура на межслойное связывание, команда изобрела аналог хрустального открывалки для сэндвичей.
Их система способна с высокой точностью измерить предел прочности на разрыв, силу, необходимую для того, чтобы тянуть кристалл до его разрушения.«Система испытаний на растяжение в некотором смысле очень проста», — сказал Танабе. «Но было очень сложно разработать способ определить точную точку, в которой кристалл сломался».Испытанные кристаллы имели ширину около 3 миллиметров и толщину всего 1/5 миллиметра, что составляет примерно половину толщины листа стандартной бумаги для принтера. Каждый кристалл состоит из сотен отдельных слоев.
Команда использовала специальный двусторонний скотч с обеих сторон кристалла, чтобы удерживать его между закрепленным на якоре предметным столиком и подвижным, который можно было отодвигать медленно, со скоростью 50 миллионных долей метра в секунду. «Это позволило нам очень точно измерить межслоевую силу, при которой кристалл сломался», — сказал Танабе.Исследователи обнаружили, что межслойная ван-дер-ваальсовая связь в кристаллах, легированных теллуром, была в семь раз прочнее, чем в кристаллах из чистого селенида галлия.
Авторы сообщают, что с добавлением теллура мягкий и расщепляемый кристалл селенида галлия становится жестким за счет увеличения силы связи Ван-дер-Ваальса, открывая путь для использования этой системы для улучшения технологий на основе кристаллов.