ห้องปฏิบัติการข้าวเพิ่ม 'เกาะ' ที่เป็นโลหะให้กับเซมิคอนดักเตอร์สองมิติสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

โดยเข้าไปขวางทาง, อะตอมของฟลูออรีนช่วยให้วัสดุสองมิติเปลี่ยนจากเซมิคอนดักเตอร์ไปเป็นโลหะในลักษณะที่อาจเป็นประโยชน์อย่างมากสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และการใช้งานอื่นๆ. การศึกษาที่นำโดยนักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุข้าว Pulickel Ajayan และผู้เขียนนำ Sruthi Radhakrishnan ให้รายละเอียดวิธีการใหม่ในการเปลี่ยนทังสเตนซัลไฟด์จากเซมิคอนดักเตอร์เป็นสถานะโลหะ.

ห้องปฏิบัติการอื่นประสบความสำเร็จในการเปลี่ยนแปลงโดยการเพิ่มองค์ประกอบลงในวัสดุ – กระบวนการที่เรียกว่ายาสลบ – แต่การเปลี่ยนแปลงไม่เคยมีความเสถียรมาก่อน. การทดสอบและการคำนวณที่ข้าวแสดงให้เห็นการล็อคทังสเตนไดซัลไฟด์ที่มีฟลูออไรด์ในสถานะใหม่, ซึ่งมีคุณสมบัติทางแสงและแม่เหล็กที่เป็นเอกลักษณ์.

นักวิจัยยังตั้งข้อสังเกตถึงผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงที่มีต่อวัสดุ ไตรโบโลยี คุณสมบัติ — การวัดแรงเสียดทาน, การหล่อลื่นและการสึกหรอ. ในระยะสั้น, การเติมฟลูออรีนจะทำให้วัสดุลื่นที่อุณหภูมิห้องมากขึ้น.

ผลงานของแล็บมีรายละเอียดอยู่ใน วัสดุขั้นสูง.

ทังสเตนซัลไฟด์คือ a โลหะทรานซิชันไดคัลโคเจไนด์ (TMD), เซมิคอนดักเตอร์หนาอะตอม. ไม่เหมือนกราฟีน, ซึ่งเป็นโครงตาข่ายแบนของอะตอมคาร์บอน, TMD ประกอบด้วยสององค์ประกอบ, หนึ่ง โลหะทรานซิชัน อะตอม (ในกรณีนี้, ทังสเตน) และอื่น ๆ (บริเวณและสายโซ่ต่างๆ ของกรดอะมิโนที่ประกอบเป็นโปรตีนถูกยึดเข้าด้วยกันโดยพันธะระหว่างคาร์บอน) เอ ชอล์ก. วัสดุไม่เรียบ strictly; ชั้นโลหะทรานซิชันถูกประกบอยู่ระหว่าง chalcogen, ก่อเป็นโครงตาข่ายสามชั้น.

TMDs เป็นหน่วยการสร้างที่มีศักยภาพกับวัสดุ 2D อื่น ๆ สำหรับการจัดเก็บพลังงาน, การเร่งปฏิกิริยาด้วยไฟฟ้าและการหล่อลื่น, ทั้งหมดนี้ได้รับอิทธิพลจากการเปลี่ยนแปลงเฟสที่เสถียรในขณะนี้.

เนื่องจากอะตอมของฟลูออรีนมีขนาดเล็กกว่าช่องว่างระหว่างชั้นของทังสเตนและกำมะถัน 0.6 นาโนเมตรมาก, นักวิจัยกล่าวว่าอะตอมที่รุกรานทำงานในระหว่าง, รบกวนโครงตาข่ายที่เป็นระเบียบของวัสดุ. ฟลูออรีนช่วยให้ระนาบกำมะถันเหินทางนี้หรือทางนั้น, และผลจากการแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอนระหว่างฟลูออรีนและกำมะถันก็มีคุณสมบัติเฉพาะเช่นกัน.

ฟลูออไรด์ทังสเตนไดซัลไฟด์สองมิติเพิ่มเกาะโลหะลงในเซมิคอนดักเตอร์สังเคราะห์, พร้อมด้วยคุณสมบัติทางแสงและแม่เหล็กอันเป็นเอกลักษณ์, ตามที่นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยไรซ์. ได้รับความอนุเคราะห์จาก Ajayan Research Group

“มันเป็นเซอร์ไพรส์ครั้งใหญ่อย่างแน่นอน. เมื่อเราเริ่มงานนี้, การเปลี่ยนแปลงเฟสเป็นสิ่งสุดท้ายที่เราคาดว่าจะเห็น” Radhakrishnan กล่าว, อดีตนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาในห้องปฏิบัติการของ Ajayan และปัจจุบันเป็นวิศวกรโมดูลที่ Intel Corp. ในฮิลส์โบโร, แร่.

“น่าแปลกใจจริงๆ ที่ลักษณะเสียดทานของทังสเตนซัลไฟด์ที่มีฟลูออไรด์นั้นแตกต่างอย่างสิ้นเชิงจากกราฟีนที่มีฟลูออรีนที่เคยศึกษามาก่อน,” Tobin Filleter ผู้เขียนร่วมกล่าว, รองศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเครื่องกลที่มหาวิทยาลัยโตรอนโต. "นี่เป็นแรงจูงใจในการศึกษาเนื้อหา 2D ที่คล้ายกันเพื่อสำรวจพฤติกรรมที่น่าสนใจดังกล่าว"

นักวิจัยกล่าวว่าฟลูออรีนไม่เพียงแต่ลด bandgap และทำให้วัสดุเป็นสื่อกระแสไฟฟ้ามากขึ้น แต่ยังทำให้เกิดข้อบกพร่องที่สร้าง "เกาะ" ที่เป็นโลหะตามพื้นผิวของวัสดุที่แสดงคุณสมบัติ paramagnetic และ ferromagnetic. “บริเวณที่เป็นโลหะทังสเตนไดซัลไฟด์เหล่านี้เป็นแม่เหล็กและรบกวนซึ่งกันและกัน, สร้างคุณสมบัติแม่เหล็กที่น่าสนใจ,» Radhakrishnan กล่าว.

ไกลออกไป, เพราะอะตอมฟลูออรีนเป็นลบทางไฟฟ้า, พวกเขายังสงสัยว่าจะเปลี่ยนความหนาแน่นของอิเล็กตรอนของอะตอมข้างเคียง. ที่เปลี่ยนคุณสมบัติทางแสงของวัสดุ, ทำให้เป็นผู้สมัครสำหรับการตรวจจับและการเร่งปฏิกิริยา. Radhakrishnan แนะนำว่าวัสดุอาจมีประโยชน์ในเฟสโลหะของพวกมันในฐานะอิเล็กโทรดสำหรับตัวเก็บประจุยิ่งยวดและการใช้งานเก็บพลังงานอื่น ๆ.

Radhakrishnan กล่าวว่าความเข้มข้นที่แตกต่างกันของฟลูออรีนเปลี่ยนแปลงสัดส่วนของการเปลี่ยนแปลงเฟสของโลหะ, แต่การเปลี่ยนแปลงยังคงคงที่ในความเข้มข้นทั้งสามที่ห้องปฏิบัติการศึกษา.

“การเปลี่ยนแปลงเฟส, การเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติด้วยการทำงานโดยฟลูออรีนและการเปลี่ยนแปลงทางแม่เหล็กและไตรโบโลยีนั้นน่าตื่นเต้นมาก,อาจายันกล่าวว่า. “สิ่งนี้สามารถขยายไปยังวัสดุเลเยอร์ 2D อื่นๆ ได้ และฉันแน่ใจว่ามันจะเปิดแอปพลิเคชันที่น่าดึงดูดบางอย่างได้”

ผู้ร่วมเขียนบทความคือ Deya Das และ Abhishek Singh จากสถาบันวิทยาศาสตร์แห่งอินเดีย; Liangzi Deng และ Paul Chu, ศาสตราจารย์วิชาฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยฮูสตัน; ผู้ที่ใส่, Parambath Sudeep และ William Colas; Sadegh Yazdi จากมหาวิทยาลัยโคโลราโด, โบลเดอร์; ศิษย์เก่าข้าว Chandra Sekhar Tiwary จากสถาบันเทคโนโลยีแห่งอินเดีย Kharagpur; และนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา Carlos de los Reyes และ Angel Martí, รองศาสตราจารย์วิชาเคมี, วิศวกรรมชีวภาพและวัสดุศาสตร์และนาโนวิศวกรรม, ของข้าว.

แหล่งที่มา: news.rice.edu, โดย Mike Williams