Нитрид бора помог настроить электронные свойства двумерных полупроводников
Физики описали процесс изменения энергетической электронной структуры в двумерном дисульфиде вольфрама при объединении его в двухслойную гетероструктуру с нитридом бора. Оказалось, что сдвиг энергетических зон и спин-орбитальное расщепление связано с образованием трионов — тройных квазичастиц, состоящих из двух электронов и дырки или, наоборот, одного электрона и двух дырок. Управлять величиной эффекта можно с помощью дополнительного осаждения на поверхность гетероструктуры калия, сообщают ученые в Nature Physics.
Двумерные полупроводниковые кристаллы считаются одним из наиболее перспективных материалов для создания телекоммуникационных устройств следующего поколения. За счет объединения слоев полупроводника в многослойные гетероструктуры с другими двумерными материалами атомарной толщины можно изменять их электронные свойства (в частности, ширину запрещенной зоны), а также управлять спин-орбитальным взаимодействием и свойствами образующихся в материале квазичастиц, образованных взаимодействием электронов и дырок. Такие материалы могут оказаться полезными не только для традиционной электроники, но и, например, для спинтроники, основанной на кодировании информации за счет изменения направлений спинов электронов.
Чтобы понять, как происходит изменение электронных свойств двумерных полупроводников при объединении их в многослойные гетероструктуры с диэлектрическим слоем, группа физиков из США и Дании под руководством Криса Джозвяка (Chris Jozwiak) из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли исследовала энергетическую структуру двухслойного гетерокристалла из диэлектрика нитрида бора BN и полупроводникового дисульфида вольфрама WS2.
Для получения такого материала авторы работы нанесли на подложку из оксида титана слои дисульфида вольфрама и нитрида бора, которые частично перекрывались, образуя двухслойную гетероструктуру, связанную ван-дер-ваальсовыми силами. По словам ученых, создание такой наслаивающейся структуры — единственная возможность получить систему достаточного для анализа размера.
Образующуюся структуру электронных зон в слое дисульфида вольфрама авторы работы исследовали с помощью микросфокусированной фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением (microAPRES) — одной из модификаций метода, который традиционно используется для анализа энергии электронов в том числе в двумерных материалах.
Оказалось, что увеличение концентрации электронов в слое дисульфида вольфрама по такому механизму, во-первых, приводит к очень сильному спин-орбитальному расщеплению, а во-вторых, сдвигает уровни энергетических зон: так положение максимума валентной зоны смещается с 430 миллиэлеткронвольт до 660 миллиэлектронвольт, а запрещенная зона уменьшается при этом на 325 миллиэлектроновольт.
При этом с помощью дополнительного осаждения на поверхность гетероструктууры калия можно управлять концентрацией электронов и как величиной эффекта спин-орбитального расщепления (которое возникает из-за взаимодействия электрона со своим спином и приводит к образованию двух энергетических уровней вместо одного), так и положением валентной зоны. Ученые связывают такие изменения с образованием трионов — квазичастиц, объединяющих в себе две дырки и электрон или, наоборот, двух электронов и дырок.
По словам авторов работы, полученных данных достаточно для разработки методов управления электронными, экситонными и спинтронных свойств двумерных полупроводниковых материалов можно управлять на основе изменения динамики квазичастиц в материале.
Уже сейчас одноатомные полупроводниковые слои из дисульфида вольфрама используют, например, для создания двумерных лазеров. Более толстые двумерные материалы, состоящие из нескольких десятков кристаллических слоев, можно применять для разработки суперконденсаторов.
Александр Дубов
При каждом нажатии он меняет структуру, не забывая о предыдущих изменениях
Физики создали механический метаматериал с эффектом памяти, который можно использовать как примитивный счетчик до десяти. Этот материал представляет собой массив из десяти деформируемых ячеек, каждая из которых может находиться в одном из двух состояний, меняющихся при нажатии. При этом предыдущих изменений материал не забывает. В будущем счетчики с подобной конструкцией могут оказаться полезными для мягкой робототехники и умных сенсоров, пишут ученые в Physical Review Letters. Свойства метаматериалов определяются в первую очередь не химическим строением, а геометрической микроструктурой (например, расположением слоев различных веществ или периодичностью атомной решетки) и для них характерны аномальные значения различных физических параметров. Например, если растягивать в продольном направлении ауксетики, обладающие отрицательным значения коэффициента Пуассона, то в перпендикулярном направлении они расширяются (в то время как обычные материалы сжимаются). Ученые работают и над метаматериалами, обладающими памятью: они запоминают воздействие и реагируют на него сменой физических свойств. Например, если нагреть полимер с памятью формы, он вернет исходную (до деформации) форму. Однако такие материалы запоминают лишь начальное состояние, запомнить несколько последовательно меняющихся состояний им не под силу. Физики Мартин ван Хеке (Martin van Hecke) и Леннард Квакернак (Lennard Kwakernaak) из Лейденского университета разработали метаматериал, у которого память о предыдущих деформациях не сбрасывается. Храня информацию о предыдущих воздействиях, такой материал фактически способен считать: он запоминает каждое нажатие, последовательно меняя свою структуру. Ученые сделали материал на 3D-принтере из стоматологической силиконовой смеси для слепков. Он состоит из отдельных ячеек, каждая из которых включает в себя две балки: одну тонкую и одну толстую. Тонкая балка может изгибаться либо влево, либо вправо. Толстая балка служит перегородкой, отделяя ячейки материала друг от друга. Значение критической деформации для толстой и тонкой балок различны, поэтому одного нажатия достаточно для сгибания тонкой балки и частичной деформации толстой. Наличие толстой балки также не дает деформироваться тонкой балке в соседней ячейке. Материал считает следующим образом. В начальном состоянии {000...0} все тонкие балки изогнуты влево. При каждом изменении направления изгиба тонкой балки 0 меняется на 1. Превышая первым нажатием критическую деформацию тонкой балки, систему выводят в состояние {100...0}. После каждого следующего нажатия крайняя слева балка изгибается в правую сторону. Толстая балка при этом не деформируется, но за счет конструкции сгибает следующую тонкую. То есть система копирует состояние изогнутой вправо тонкой балки (1) с каждым нажатием на одну ячейку правее. В терминах нулей и единиц, подсчет можно записать как {000...0} → {100...0} → {110...0}→··· → {111...1}. До скольки может досчитать материал, зависит от числа ячеек и начального состояния системы, память метаматериала сохраняется до конца подсчета. По словам авторов работы, такой метаматериал с эффектом памяти фактически представляет собой простейший компьютер, который можно запрограммировать на счет с любого начального числа. Его работу ученые проверили, фиксируя значения критических деформаций и начиная счет с различных начальных чисел. Материаловеды отмечают, что такой счетчик из метаматериала можно изготовить и из других веществ, например каучука или полиуретана. В будущем из аналогичных ячеек ученые планируют собирать и двумерные массивы, на которых можно будет проводить более сложные вычислительные операции Метаматериалы хороши не только в счете: они помогают решать уравнения со скоростью света, а еще их можно превратить в непрерывные кристаллы времени.