一種新材料的特性使其成為諸如磁性雙旋磁器件和自旋電子器件等新領(lǐng)域的有希望的候選者，以及在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和器件設(shè)計(jì)方面的進(jìn)步。

可以這么說(shuō)，所有元素都是從這里開始的。只是弄清楚他們的能力是什么—單獨(dú)或一起。對(duì)于萊斯利·斯科普(Leslie Schoop)的實(shí)驗(yàn)室而言，最近的一項(xiàng)此類研究發(fā)現(xiàn)了一種層狀化合物，其三重性質(zhì)以前在一種材料中不存在。

在國(guó)際跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)的帶領(lǐng)下，化學(xué)助理教授Schoop和博士后研究助理Shiming Lei上周在《科學(xué)進(jìn)展》上發(fā)表了一篇論文，報(bào)道范德華斯三碲化material(GdTe3)在所有已知的層狀磁性中顯示出最高的電子遷移率材料。另外，它具有磁性順序，并且容易剝落。

結(jié)合起來(lái)，這些特性使其成為諸如磁性雙旋磁器件和自旋電子器件等新領(lǐng)域的有希望的候選者，以及在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和器件設(shè)計(jì)方面的進(jìn)步。

在項(xiàng)目開始后不久，Schoop團(tuán)隊(duì)最初在2018年初發(fā)現(xiàn)了這些獨(dú)特的特征。他們的第一個(gè)成功是證明GdTe3可以容易剝落至10nm以下的超薄薄片。隨后，該團(tuán)隊(duì)花費(fèi)了兩年的時(shí)間將材料晶體的純度提高到只能放大結(jié)果的狀態(tài)。該實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)向研究人員運(yùn)送了許多樣品，以期探索這種化合物如何適合以前僅由黑磷和石墨占據(jù)的類別。高流動(dòng)性在層狀材料中很少見(jiàn)。

研究中詳細(xì)描述的特性被描述為可以測(cè)量的量子振蕩或“擺動(dòng)”，以至于沒(méi)有國(guó)家實(shí)驗(yàn)室中普遍使用的特殊探頭和設(shè)備就可以觀察到這些特性。

“通常，如果您看到這些振蕩，則部分取決于樣品的質(zhì)量。我們真的坐下來(lái)，制造出了最好的晶體。在兩年的時(shí)間里，我們提高了質(zhì)量，因此這些振蕩變得越來(lái)越劇烈”，Schoop說(shuō)。舒普說(shuō)：“但是，盡管我們生長(zhǎng)的是第一批晶體，但第一批樣品已經(jīng)顯示出了它們。”

“對(duì)我們來(lái)說(shuō)，這非常令人興奮。我們看到了這種材料中出乎意料的高遷移率電子的這些結(jié)果，這是我們所料想不到的。當(dāng)然，我們希望獲得良好的結(jié)果。但是我沒(méi)想到它會(huì)具有如此驚人的效果，” Schoop補(bǔ)充說(shuō)。 。

雷將新聞定性為“突破”，主要是因?yàn)槠淞鲃?dòng)性高。他說(shuō)：“將這種材料添加到2D van der Waals的動(dòng)物園中，就像添加一種新發(fā)現(xiàn)的烹飪?cè)弦粯?，它可以帶?lái)新的風(fēng)味和菜肴。”

“所以，首先，您要清除這些材料。第二件事是確定潛力：可以用它制造的設(shè)備的功能是什么?作為下一代材料，我們可以沿著這條線進(jìn)一步提高性能嗎?”

稀土三碲化物GdTe3的載流子遷移率超過(guò)60,000 cm2V-1s-1。這意味著，如果對(duì)材料施加1伏/厘米的電場(chǎng)，電子將以60,000厘米/秒的凈速度移動(dòng)。相比之下，通常發(fā)現(xiàn)其他磁性材料中的遷移率僅為幾百cm2V-1s-1。

“高遷移率很重要，因?yàn)檫@意味著材料內(nèi)部的電子能夠以最小的散射速度高速傳播，從而減少了任何由它構(gòu)成的電子設(shè)備的散熱，” Lei說(shuō)。

Van der Waals材料-層受弱力約束-是2D材料的母體化合物。研究人員正在研究它們的下一代設(shè)備制造以及用于雙旋翼飛機(jī)，幾年前才在科學(xué)界首次對(duì)其進(jìn)行描述。使用Twistronics時(shí)，二維材料的層在彼此疊置時(shí)會(huì)錯(cuò)位或扭曲。晶格的明智錯(cuò)位會(huì)改變電氣，光學(xué)和機(jī)械性能，可能會(huì)帶來(lái)新的應(yīng)用機(jī)會(huì)。

此外，大約15年前發(fā)現(xiàn)，可以使用透明膠帶等普通材料將范德華斯材料剝落到最薄的一層。這個(gè)啟示激發(fā)了物理學(xué)的許多新發(fā)展。最后，僅在最近才發(fā)現(xiàn)2D材料顯示出磁性順序，其中電子的自旋彼此對(duì)齊。所有“薄”設(shè)備(例如硬盤驅(qū)動(dòng)器)都是基于以不同方式磁排序的材料，從而產(chǎn)生不同的效率。

肖普說(shuō)：“我們發(fā)現(xiàn)了這種材料，就像高速公路上的電子一樣，電子可以在其中傳播。”“除了具有這種磁性順序，而且具有達(dá)到二維的潛力，對(duì)于這種材料來(lái)說(shuō)，這是獨(dú)一無(wú)二的。”

這項(xiàng)研究的結(jié)果很好地展示了Schoop成立于兩年前的年輕實(shí)驗(yàn)室。它們是與普林斯頓復(fù)雜材料中心，NSF資助的材料研究科學(xué)與工程中心以及普林斯頓物理系的全體教授奈乃昂，吳三峰和阿里·亞茲達(dá)尼合作的產(chǎn)物。

為了充分了解GdTe3的電子和磁性，該團(tuán)隊(duì)還與波士頓學(xué)院進(jìn)行了剝落測(cè)試，并與Argonne國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和馬克斯·普朗克固體研究所合作，利用同步輻射來(lái)了解材料的電子結(jié)構(gòu)。

從更廣泛的角度來(lái)看，Schoop最滿意這項(xiàng)研究的是“化學(xué)直覺(jué)”，這導(dǎo)致團(tuán)隊(duì)首先開始使用GdTe3進(jìn)行研究。他們懷疑會(huì)有可喜的結(jié)果。Schoop表示，但是GdTe3如此迅速而有力地產(chǎn)生它們的事實(shí)是一個(gè)信號(hào)，表明化學(xué)對(duì)固態(tài)物理學(xué)領(lǐng)域做出了重大貢獻(xiàn)。

肖普說(shuō)：“我們是化學(xué)系的一個(gè)小組，我們發(fā)現(xiàn)這種材料應(yīng)該是基于化學(xué)原理的高度可移動(dòng)電子所感興趣的。”“我們正在考慮原子在這些晶體中的排列方式以及它們?nèi)绾蜗嗷ユI合，而不是基于物理手段，而物理手段通常是基于哈密頓量來(lái)理解電子的能量。

她說(shuō)：“但是我們采取了一種非常不同的方法，與化學(xué)家一樣，更多地與繪制圖片有關(guān)，與軌道和諸如此類的事情有關(guān)。”“而且我們?cè)谶@種方法上取得了成功。在考慮令人興奮的材料時(shí)，這是一種獨(dú)特而又不同的方法。”