Materiał o wysokiej ruchliwości elektronów jest jak autostrada bez ruchu. Elektrony wchodzące w materiał poruszają się bez przeszkód czy zatorów, które mogłyby je spowolnić lub rozproszyć.

Im większa jest ruchliwość elektronów, tym bardziej efektywna jest przewodność elektryczna materiału, a mniej energii traci się, gdy elektrony przechodzą przez materiał. Zaawansowane materiały o wysokiej ruchliwości elektronów będą kluczowe dla bardziej wydajnych i zrównoważonych urządzeń elektronicznych, które mogą wykonać więcej pracy przy mniejszym zużyciu energii.

Fizycy z MIT, Army Research Laboratory i innych instytucji osiągnęli rekordowy poziom ruchliwości elektronów w cienkiej warstwie ternarnych tetradymitów — klasy minerałów naturalnie występujących w głębokich hydrotermalnych złożach złota i kwarcu.

W ramach tego badania naukowcy wyhodowali czyste, ultracienkie warstwy materiału, w sposób minimalizujący defekty w jego strukturze krystalicznej. Odkryli, że ten niemal idealny film — znacznie cieńszy od ludzkiego włosa — wykazuje największą ruchliwość elektronów w swojej klasie.

Zespół był w stanie oszacować ruchliwość elektronów w materiale, odkrywając oscylacje kwantowe, gdy przepływa przez niego prąd elektryczny. Te oscylacje są znakiem kwantowo-mechanicznego zachowania elektronów w materiale. Badacze odkryli specyficzny rytm oscylacji, charakterystyczny dla wysokiej ruchliwości elektronów — większy niż w przypadku jakiejkolwiek ternarnej cienkiej warstwy tej klasy do tej pory.

Jagadeesh Moodera, starszy naukowiec w MIT's Department of Physics, mówi: "Dotychczas to, co ludzie osiągnęli pod względem ruchliwości elektronów w tych systemach, było jak ruch na drodze w budowie — utknięcie, niemożność jazdy, kurz i bałagan. W tym nowym zoptymalizowanym materiale jest to jak jazda po Mass Pike bez ruchu."

Wyniki zespołu, opublikowane dzisiaj w czasopiśmie Materials Today Physics, wskazują, że ternarne tetradymitowe cienkie filmy są obiecującym materiałem dla przyszłej elektroniki, takich jak noszone urządzenia termoelektryczne, które efektywnie przekształcają odpadowe ciepło w energię elektryczną. (Tetradymity są aktywnymi materiałami powodującymi efekt chłodzenia w komercyjnych chłodziarkach termoelektrycznych.) Materiał ten może również stanowić podstawę dla urządzeń spintronicznych, które przetwarzają informacje, wykorzystując spin elektronów, zużywając znacznie mniej energii niż konwencjonalne urządzenia oparte na krzemie.

Badanie wykorzystuje również oscylacje kwantowe jako bardzo skuteczne narzędzie do pomiaru wydajności elektronów w materiale.

Hang Chi, autor badania i były naukowiec z MIT, obecnie na Uniwersytecie Ottawa, mówi: "Używamy tych oscylacji jako szybkiego zestawu testowego. Badając ten delikatny kwantowy taniec elektronów, naukowcy mogą zacząć rozumieć i identyfikować nowe materiały dla następnej generacji technologii, które będą zasilać nasz świat."
Chi i Moodera są współautorami badania wraz z Patrickiem Taylorem, byłym członkiem MIT Lincoln Laboratory, oraz Owenem Vailem i Harrym Hierem z Army Research Laboratory, oraz Brandi Wooten i Josephem Heremansem z Ohio State University.

Pochodzenie tetradymitów
Nazwa "tetradymit" pochodzi od greckiego słowa "tetra" oznaczającego "cztery" i "dymite", co oznacza "bliźniak". Oba terminy opisują strukturę krystaliczną minerału, składającą się z romboedrycznych kryształów, które są "bliźniakami" w grupach po cztery — tj. mają identyczne struktury krystaliczne, które dzielą jedną stronę.

Tetradymity zawierają kombinacje bizmutu, antymonu, telluru, siarki i selenu. W latach pięćdziesiątych naukowcy odkryli, że tetradymity wykazują właściwości półprzewodnikowe, które mogą być idealne do zastosowań termoelektrycznych: Minerał w swojej dużej krystalicznej formie mógłby pasywnie przekształcać ciepło w energię elektryczną.

W latach dziewięćdziesiątych, nieżyjąca już profesor Mildred Dresselhaus z MIT zaproponowała, że właściwości termoelektryczne minerału mogą być znacznie ulepszone, nie w swojej dużej formie, ale wewnątrz mikroskopowej, nanometrycznej powierzchni, gdzie interakcje elektronów są bardziej wyraźne. (Heremans w tym czasie pracował w grupie Dresselhaus.)

Postęp w hodowli cienkich filmów
"Stało się jasne, że kiedy patrzysz na ten materiał wystarczająco długo i wystarczająco blisko, dzieją się nowe rzeczy," mówi Chi. "Ten materiał został zidentyfikowany jako izolator topologiczny, gdzie naukowcy mogli zaobserwować bardzo interesujące zjawiska na jego powierzchni. Ale aby kontynuować odkrywanie nowych rzeczy, musimy opanować hodowlę materiału."

Aby wyhodować cienkie warstwy czystego kryształu, badacze użyli epitaksji wiązki molekularnej — metody, w której wiązka molekuł jest wystrzeliwana na podłoże, zazwyczaj w próżni, z precyzyjnie kontrolowanymi temperaturami. Kiedy molekuły osadzają się na podłożu, kondensują się i powoli rosną, jeden atomowy poziom na raz. Kontrolując czas i rodzaj osadzanych molekuł, naukowcy mogą hodować ultracienkie warstwy krystaliczne w dokładnych konfiguracjach, z minimalnymi lub żadnymi defektami.

Patrick Taylor, współautor, wyjaśnia: "Zazwyczaj bizmut i tellur mogą zamieniać się miejscami, co tworzy defekty w krysztale. System, który używaliśmy do hodowli tych warstw, przywiozłem ze sobą z MIT Lincoln Laboratory, gdzie używamy wysoko oczyszczonych materiałów, aby zredukować zanieczyszczenia do nieznacznych poziomów. To idealne narzędzie do badania tego materiału."

Wolny przepływ
Zespół wyhodował cienkie warstwy ternarnych tetradymitów, każda o grubości około 100 nanometrów. Następnie przetestowali właściwości elektronów filmu, szukając oscylacji kwantowych Shubnikova-de Haasa — zjawiska odkrytego przez fizyków Lwa Shubnikova i Wandera de Haasa, którzy odkryli, że przewodnictwo elektryczne materiału może oscylować, gdy jest wystawione na silne pole magnetyczne w niskich temperaturach. Efekt ten występuje, ponieważ elektrony w materiale wypełniają specyficzne poziomy energetyczne, które zmieniają się wraz ze zmianą pola magnetycznego.

Takie oscylacje kwantowe mogą służyć jako sygnatura struktury elektronowej materiału i sposobu, w jaki elektrony się zachowują i oddziałują ze sobą. Najważniejsze dla zespołu MIT jest to, że oscylacje mogą określić ruchliwość elektronów materiału: Jeśli oscylacje występują, oznacza to, że opór elektryczny materiału może się zmieniać, a zatem elektrony mogą być ruchliwe i swobodnie płynąć.

Zespół szukał znaków oscylacji kwantowych w swoich nowych filmach, najpierw wystawiając je na ultraniskie temperatury i silne pole magnetyczne, następnie przepuszczając prąd elektryczny przez film i mierząc napięcie na jego ścieżce, podczas regulowania pola magnetycznego w górę i w dół.

Hang Chi, mówi: "Okazało się, ku naszej wielkiej radości i ekscytacji, że opór elektryczny materiału oscyluje. Od razu to mówi, że ma bardzo wysoką ruchliwość elektronów."

Zespół szacuje, że ternarny tetradymitowy cienki film wykazuje ruchliwość elektronów na poziomie 10 000 cm2/V-s — największą ruchliwość, jaką kiedykolwiek zmierzono dla ternarnych tetradymitowych filmów. Zespół podejrzewa, że rekordowa ruchliwość filmu ma związek z jego niską liczbą defektów i zanieczyszczeń, które udało im się zminimalizować dzięki precyzyjnym strategiom hodowli. Im mniej defektów w materiale, tym mniej przeszkód napotykają elektrony i mogą swobodniej płynąć.

Jagadeesh Moodera mówi: "To pokazuje, że możliwe jest zrobienie dużego kroku naprzód, gdy odpowiednio kontrolujemy te skomplikowane systemy. To mówi nam, że jesteśmy na właściwej drodze i mamy odpowiedni system do dalszego postępu, do dalszego doskonalenia tego materiału do jeszcze cieńszych warstw i bliskich połączeń do zastosowań w przyszłych urządzeniach spintronicznych i noszonych urządzeniach termoelektrycznych."

To badanie zostało częściowo wsparte przez Army Research Office, National Science Foundation, Office of Naval Research, Canadian Research Chairs Program i Canadian Natural Sciences and Engineering Research Council.

Źródło: Massachusetts Institute of Technology