Abbildung von leitenden Kanten in einem vielversprechenden 2D-Material
Studie über Wolfram-Ditellurid könnte zu energieeffizienteren elektronischen Geräten führen
Ein Forschungsteam aus Wissenschaftlern der University of California, Riverside und der University of Washington hat erstmals die "Kantenleitung" in monoschichtigem Wolframditellurid, kurz WTe2, einem neu entdeckten topologischen 2-D-Isolator und Quantenmaterial, direkt abgebildet.
Darstellung des Messaufbaus. Die einschichtige WTe2-Flocke liegt auf einem SiO2/Si-Substrat und ist mit einer dünnen Flocke aus hexagonalem Bornitrid (hBN) bedeckt, um sie vor Zerstörung zu schützen.
Cui lab, UC Riverside
Die Forschung ermöglicht es, diese Kantenleitfähigkeit zu nutzen, um energieeffizientere elektronische Geräte zu bauen.
In einem typischen Leiter fließt überall elektrischer Strom. Isolatoren hingegen leiten den Strom nicht ohne weiteres. Bei topologischen Isolatoren, einer speziellen Art von Material, funktioniert der Innenraum als Isolator, aber die Grenzen dieser Materialien sind aufgrund ihrer topologischen Eigenschaft garantiert leitfähig, was zu einem Merkmal namens "topologische Kantenleitung" führt.
Die Topologie ist die mathematische Untersuchung der Eigenschaften einer geometrischen Figur oder eines Körpers, die durch Dehnung oder Biegung unverändert bleibt. Die Anwendung dieses Konzepts auf elektronische Materialien führt zur Entdeckung vieler interessanter Phänomene, einschließlich der topologischen Kantenleitung. Kanäle der topologischen Kantenleitung arbeiten wie Autobahnen für Elektronen und ermöglichen es Elektronen, mit geringem Widerstand zu reisen. Da Kantenkanäle potenziell sehr schmal sein können, können elektronische Geräte weiter miniaturisiert werden.
"Mehrere Materialien haben sich als topologische 3-D-Isolatoren erwiesen", sagte Yongtao Cui, Assistenzprofessor für Physik und Astronomie an der UCR, der die Forschung leitete. "Aber 2-D-Topologieisolatoren sind selten. Mehrere neuere Experimente haben gezeigt, dass die Monoschicht WTe2 der erste atomar dünne topologische 2D-Isolator ist."
Cui erklärte, dass bei einem topologischen 3D-Isolator die Leitfähigkeit an seinen Oberflächen auftritt; bei einem plattenförmigen 2D-Material befinden sich solche leitenden Merkmale einfach an den Kanten der Platte.
Cuis Labor verwendete eine neuartige experimentelle Technik namens Microwave Impedance Microscopy, kurz MIM, um die Leitfähigkeit an den Kanten der Monoschicht WTe2 direkt abzubilden.
"Unsere Ergebnisse bestätigen eindeutig die Kantenleitung in diesem vielversprechenden Material", sagte Cui.
Obwohl WTe2 seit Jahrzehnten bekannt ist, hat das Interesse an diesem Material erst in den letzten Jahren zugenommen, da seine exotischen physikalischen und elektronischen Eigenschaften durch die Topologie entdeckt wurden. WTe2-Schichten werden über van der Waals Interaktionen miteinander gestapelt und können leicht in dünne, 2D-ähnliche, graphenähnliche Schichten exfoliert werden.
"Zusätzlich zur Leitung an den Kanten in der Monoschicht WTe2 haben wir auch festgestellt, dass sich die leitenden Kanäle aufgrund von Unvollkommenheiten - wie beispielsweise Rissen - bis ins Innere des Materials erstrecken können", sagte Cui. "Unsere Beobachtungen zeigen neue Wege auf, um solche Leitungskanäle mit mechanischen oder chemischen Mitteln zu kontrollieren und zu konstruieren."
Cuis Mitarbeiter an der University of Washington bereiteten die monoschichtigen WTe2-Proben vor. Bei UCR führte sein Labor die MIM-Messung durch, bei der ein elektrisches Mikrowellensignal an eine scharfe Metallspitze gesendet und die Spitze nahe der Oberfläche der Monoschicht WTe2 positioniert wurde. Durch die Auflösung des von der Probe zurückgestoßenen Mikrowellensignals konnten die Forscher feststellen, ob der Probenbereich direkt unter der Spitze leitfähig war oder nicht.
"Wir haben die Spitze über die gesamte Probe gescannt und die lokale Leitfähigkeit direkt zugeordnet", sagte Cui. "Wir haben alle Messungen bei kryogenen Temperaturen durchgeführt, die für die Monoschicht WTe2 erforderlich sind, um die topologische Eigenschaft zu zeigen. Die topologischen Eigenschaften der Monoschicht WTe2 können potenziell als Plattform dienen, um wesentliche Operationen im Quantencomputer zu realisieren."
Cuis Labor erforscht bereits neue Wege zur Manipulation der Kantenleitkanäle und der topologischen Physik in der Monoschicht WTe2.
"Wir untersuchen, ob das Stapeln der Monoschicht WTe2 mit anderen 2D-Materialien ihre topologische Eigenschaft verändern kann", sagte er. "Wir nutzen auch mechanische und chemische Methoden, um Netzwerke von Leitungskanälen zu schaffen. Die von uns verwendete MIM-Technik bietet ein leistungsfähiges Mittel zur Charakterisierung der Leitungskanäle in topologischen Materialien wie der Monoschicht WTe2."
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