对于所有的元素,要弄清楚它们能做什么,是单独还是各种混合一起做,是一大研究难题。对于莱斯利·斯库普实验室,现在在一次这样的研中,揭示了一种层状化合物,它具有三种以前未知的性质,存在于一种材料中,其研究发现发表在《科学进展》期刊上。

研究表明范德华层状材料三碲化钆(GdTe3)在所有已知的层状磁性材料中,显示出最高的电子迁移率。此外,它具有磁性有序,很容易被剥离。

这些特性结合在一起,使其成为磁双电子器件和自旋电子学等新领域以及数据存储和器件设计的先进候选者。Schoop团队在项目开始后不久,于2018年初初步发现了这些独特的特征,研究团队的第一个成功是证明了GdTe3很容易剥离到10 nm以下的超薄薄片。

随后,研究小组花了两年时间将材料晶体的纯度,提炼到只会放大结果的状态。该实验室已经向研究人员运送了一些样本,并急于探索这种化合物是如何归入以前只有黑磷和石墨占据的类别。

高迁移率在层状材料中是罕见的,这项研究中详细描述的特性,被描述为可以测量的量子振荡或“摆动”,非常明显,以至于在没有国家实验室通常可以找到的特殊探测器和设备的情况下就能观察到它们。

通常情况下,如果你看到这些振荡,部分取决于样品的质量。在两年的时间里,研究人员提高了质量,所以这些振荡变得越来越戏剧性。但是第一批样品已经显示出,即使生长出第一批晶体,也不知道到底在做什么。

这对研究人员来说是非常令人兴奋的,研究在这种材料中看到了这些没有预料到的高流动性电子结果。研究人员将这一消息描述为一次“突破”,这在很大程度上是因为它的流动性很高。把这种材料添加到二维范德华层状材料里,就像是添加了一种新发现的烹饪原料,这就能做出现新的口味和菜肴。

所以,首先要把这些材料拿出来,下一件事是找出其应用潜力:比如可以用它制造的设备有什么功能?作为沿着这条线的下一代材料,还可以进一步提高什么性能?

作为一种稀土三碲化物,GdTe3的载流子迁移率超过60000 cm2V-1s-1。这意味着,如果对材料施加1伏特/厘米的磁场,电子将以每秒6万厘米的净速度移动。相比之下,其他磁性材料的迁移率通常只有几百cm2V~(-1)s~(-1)。

高迁移率很重要,因为这意味着材料内部的电子,能够以最小的散射高速移动,从而减少任何用它制造电子设备的散热。范德华层状材料是2-D材料的母体化合物,在这种材料中,层被弱力捆绑在一起。

研究人员正在研究它们,用于下一代设备制造,也用于双电子学,这在几年前才在科学界首次描述。有了旋转学,当二维材料层叠在一起时,它们会错位或扭曲。晶格的合理错位可以改变电学、光学和机械性质,从而可能产生新的应用机会。

此外,大约15年前,科学家发现范德华层状材料可以通过使用像透明胶带这样普通的东西来剥离到最薄的一层,这一发现激发了物理学的许多新发展。直到现在才发现2-D材料表现出磁序,即电子的自旋相互排列。

所有微型设备(例如硬盘驱动器)都是基于材料以不同的方式磁性排序,从而产生不同效率和用途。发现这种电子射出的材料,非常完美,非常容易,速度也很快。此外,这种磁序以及进入二维的可能性,对于这种材料来说都是独一无二的。

这项研究结果对两年多前才成立的年轻斯库普实验室来说,是一个强有力的证明,也是与普林斯顿复合材料中心以及合著者Nai Puan Ong、SanFung Wu和Ali Yazdani合作的产物,他们都是普林斯顿大学物理系的教员。

为了全面了解GdTe3的电磁特性,该团队还与波士顿学院(Boston College)、阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)和马克斯·普朗克固态研究所合作,利用同步辐射了解材料的电子结构。

从更广泛的角度来看,斯库普实验室对这项研究最满意的是“化学直觉”,正是这种“化学直觉”让研究小组首先从GdTe3开始了这项研究,因为最初怀疑会有有希望的结果,GdTe3如此迅速和有力地产生它们的事实是一个迹象,表明化学对固体物理领域有重大贡献。

研究团队也是化学系的一个小组,根据化学原理计算出这种材料应该对高迁移率的电子有用,在考虑原子在这些晶体中是如何排列的,以及它们应该如何相互键合,而不是基于物理手段,后者通常是基于哈密顿来理解电子的能量。

但研究人员采取了一种非常不同的方法,更多地与绘制图片有关,就像化学家所做的那样,与轨道等相关的东西。研究人员也用这种方法取得了成功,

在思考令人兴奋的材料方面,这是一种如此独特和不同的方法!

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博科园|研究/来自:普林斯顿大学

参考期刊《科学进展》

DOI: 10.1126/sciadv.aay6407

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可以测量的量子振荡!发现这种二维新材料,竟具有三种未知性质!

图文简介

对于莱斯利·斯库普实验室,现在在一次这样的研中,揭示了一种层状化合物,它具有三种以前未知的性质,存在于一种材料中,其研究发现发表在《科学进展》期刊上。