2020-02-13 13:01:02
新材料在已知的层状磁性材料中具有最高的电子迁移率

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可以这么说,所有元素都是从这里开始的。只是弄清楚它们单独或一起具有的功能即可。对于莱斯利·斯科普(Leslie Schoop)的实验室而言,最近的一项此类研究发现了一种层状化合物,其三重性质以前在一种材料中不存在。

在国际跨学科团队的带领下,化学助理教授Schoop和博士后研究助理Shiming Lei上周在《科学进展》杂志上发表了一篇论文,报道范德华斯三碲化material(GdTe3)在所有已知的层状磁性中显示出最高的电子迁移率材料。另外,它具有磁性顺序,并且容易剥落。

结合起来,这些特性使其成为诸如磁性双旋磁器件和自旋电子器件等新领域的有希望的候选者,以及在数据存储和器件设计方面的进步。

在项目开始后不久,Schoop团队最初在2018年初发现了这些独特的特征。他们的第一个成功是证明GdTe3可以容易剥落至10nm以下的超薄薄片。随后,该团队花费了两年的时间将材料晶体的纯度提高到只能放大结果的状态。该实验室已经向研究人员运送了许多样品,以期探索该化合物如何适合以前仅由黑磷和石墨占据的类别。高流动性在层状材料中很少见。

研究中详细描述的特性被描述为可以测量的量子振荡或“摆动”,以至于没有国家实验室中普遍使用的特殊探头和设备就可以观察到这些特性。

“通常,如果您看到这些振荡,则部分取决于样品的质量。我们真的坐下来,制造出了最好的晶体。在两年的过程中,我们提高了质量,从而使这些振荡变得越来越剧烈”,Schoop说。舒普说:“但是,尽管我们生长的是第一批晶体,但第一批样品已经显示出了它们。”

“对我们来说,这非常令人兴奋。我们看到了这种材料中出乎意料的高迁移率电子的这些结果,这是我们所料想不到的。当然,我们希望获得良好的结果。但是我没想到它会如此引人注目,” Schoop补充说。 。

雷将新闻定性为“突破”,主要是因为其流动性高。他说:“将这种材料添加到二维范德华兹材料的动物园中,就像添加一种新发现的烹饪原料一样,可以带来新的风味和菜肴。”

“所以,首先,您要获取这些材料。第二件事是确定潜力:可以用它制造的设备的功能是什么?作为下一代材料,我们可以进一步提高性能吗?”

稀土三碲化物GdTe3的载流子迁移率超过60,000 cm2V-1s-1。这意味着,如果对材料施加1伏/厘米的电场,电子将以60,000厘米/秒的净速度移动。相比之下,通常发现其他磁性材料中的迁移率仅为几百cm2V-1s-1。

“高迁移率很重要,因为这意味着材料内部的电子能够以最小的散射速度高速传播,从而减少了任何由它制成的电子设备的散热,” Lei说。

范德华材料(其中的层受弱力约束)是二维材料的母体化合物。研究人员正在研究它们的下一代设备制造以及用于双旋翼飞机,几年前才在科学界首次对其进行描述。使用扭转旋翼时,二维材料层在彼此叠置时会错位或扭曲。晶格的明智错位会改变电气,光学和机械性能,可能会带来新的应用机会。

此外,大约15年前发现,可以使用透明胶带等普通材料将范德华斯材料剥落到最薄的一层。这个启示激发了物理学的许多新发展。最后,直到最近才发现二维材料显示出磁性顺序,其中电子的自旋彼此对齐。所有“轻薄”设备(例如硬盘驱动器)都基于以不同方式磁排序的材料,从而产生不同的效率。

肖普说:“我们发现了这种材料,电子可以像在高速公路上一样直射,非常方便,快捷。” “除了具有这种磁性顺序,而且具有达到二维的潜力,对于这种材料来说,这是独一无二的。”

这项研究的结果很好地展示了Schoop成立于两年前的年轻实验室。它们是与普林斯顿复杂材料中心,NSF资助的材料研究科学与工程中心以及普林斯顿大学物理系的合著者Nai Phuan Ong,Sanfeng Wu和Ali Yazdani合作的产物。

为了充分了解GdTe3的电子和磁性,该团队还与波士顿学院进行了剥落测试,并与Argonne国家实验室和马克斯·普朗克固体研究所合作,通过同步辐射了解了该材料的电子结构。

从更广泛的角度来看,Schoop最满意这项研究的是“化学直觉”,这导致团队首先开始使用GdTe3进行研究。他们怀疑会有可喜的结果。 Schoop表示,但是GdTe3如此迅速而有力地产生它们的事实是一个信号,表明化学对固态物理学领域做出了重大贡献。

肖普说:“我们是化学系的一个小组,我们发现这种材料应该是基于化学原理的高度可移动电子所感兴趣的。” “我们正在考虑原子在这些晶体中的排列方式以及它们如何相互键合,而不是基于物理手段,而物理手段通常是基于哈密顿量来理解电子的能量。

她说:“但是我们采取了一种非常不同的方法,与化学家一样,更多地与绘制图片有关,与轨道和诸如此类的事情有关。” “而且我们在这种方法上取得了成功。在考虑令人兴奋的材料时,这是一种独特且不同的方法。”

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