Rislab legger til metalliske "øyer" til todimensjonal halvleder for elektronikk

Ved å stå i veien, fluoratomer hjelper et todimensjonalt materiale med å transformere seg fra en halvleder til et metall på en måte som kan være svært nyttig for elektronikk og andre applikasjoner. En studie ledet av Rice materialforsker Pulickel Ajayan og hovedforfatter Sruthi Radhakrishnan beskriver en ny metode for å transformere wolframdisulfid fra en halvleder til en metallisk tilstand.

Andre laboratorier har oppnådd transformasjonen ved å legge til elementer i materialet – en prosess kjent som doping – men endringen har aldri før vært stabil.. Tester og beregninger hos Rice viste fluorerende wolframdisulfidlåser i den nye tilstanden, som har unike optiske og magnetiske egenskaper.

Forskerne bemerket også transformasjonens effekt på materialets tribologisk egenskaper - et mål på friksjon, smøring og slitasje. Kort oppsummert, tilsetning av fluor gjør materialet mer glatt ved romtemperatur.

Laboratoriets arbeid er detaljert i Avanserte materialer.

Wolframdisulfid er en overgangsmetall dikalkogenid (TMD), en atomtykk halvleder. I motsetning til grafen, som er et flatt gitter av karbonatomer, en TMD inneholder to elementer, en a overgangsmetall atom (i dette tilfellet, wolfram) og den andre (svovel) en kalkogen. Materialet er strengt tatt ikke flatt; overgangsmetalllaget er klemt mellom kalkogenet, danner et trelags gitter.

TMD-er er potensielle byggesteiner med andre 2D-materialer for energilagring, elektrokatalyse og smøring, som alle er påvirket av den nå stabile fasetransformasjonen.

Fordi fluoratomer er mye mindre enn 0,6 nanometersrommet mellom lagene av wolfram og svovel, forskerne sa at de invasive atomene jobber seg i mellom, forstyrre materialets ordnede gitter. Fluoren lar svovelflyene gli denne eller den veien, og den resulterende handelen med elektroner mellom fluor og svovel står også for de unike egenskapene.

Fluorerende todimensjonalt wolframdisulfid tilfører metalløyer til den syntetiske halvlederen, sammen med unike optiske og magnetiske egenskaper, ifølge forskere ved Rice University. Med tillatelse fra Ajayan Research Group

– Det var absolutt en stor overraskelse. Da vi startet dette arbeidet, en fasetransformasjon var det siste vi forventet å se.» sa Radhakrishnan, en tidligere doktorgradsstudent i Ajayans laboratorium og nå modulingeniør ved Intel Corp. i Hillsboro, Malm.

"Det er virkelig overraskende at friksjonsegenskapene til fluorert wolframdisulfid er helt forskjellige fra det fluorerte grafenet som ble studert før,” sa medforfatter Tobin Filleter, en førsteamanuensis i maskinteknikk ved University of Toronto. "Dette er en motivasjon til å studere lignende 2D-materiale for å utforske så interessant oppførsel."

Forskerne sa at fluor ser ut til å ikke bare redusere båndgapet og gjøre materialet mer ledende, men også forårsake defekter som skaper metalliske "øyer" langs materialets overflate som også viser paramagnetiske og ferromagnetiske egenskaper. "Disse områdene av metallisk wolframdisulfid er magnetiske og de forstyrrer hverandre, skape interessante magnetiske egenskaper,» sa Radhakrishnan.

Lengre, fordi fluoratomer er elektrisk negative, de er også mistenkt for å endre elektrontettheten til naboatomer. Det endrer materialets optiske egenskaper, gjør den til en kandidat for sensing og katalyseapplikasjoner. Radhakrishnan antydet at materialene også kan være nyttige i deres metalliske fase som elektroder for superkondensatorer og andre energilagringsapplikasjoner.

Radhakrishnan sa at forskjellige konsentrasjoner av fluor endrer andelen endring til metallfasen, men endringen forble stabil i alle tre konsentrasjonene laboratoriet studerte.

"Fasetransformasjonen, endring i egenskaper med funksjonalisering av fluor og dets magnetiske og tribologiske endringer er veldig spennende,sa Ajayan. "Dette kan utvides til andre 2D-lagdelte materialer, og jeg er sikker på at det vil åpne opp noen fengslende applikasjoner."

Medforfattere av artikkelen er Deya Das og Abhishek Singh fra Indian Institute of Science; Liangzi Deng og Paul Chu, professor i fysikk ved University of Houston; Filler, Parambath Sudeep og Guillaume Colas ved University of Toronto; Sadegh Yazdi fra University of Colorado, Boulder; Rice-alumnus Chandra Sekhar Tiwary ved Indian Institute of Technology Kharagpur; og hovedfagsstudent Carlos de los Reyes og Angel Martí, en førsteamanuensis i kjemi, bioteknikk og materialvitenskap og nanoteknikk, av ris.

Kilde: news.rice.edu, av Mike Williams