Ученые изображают проводящие края в многообещающем двумерном материале. Исследовательская группа, состоящая из ученых из Калифорнийского университета, Риверсайда и Вашингтонского университета, впервые непосредственно изобразила «краевую проводимость» в монослое дителлурида вольфрама, или WTe2, недавно обнаруженный двумерный топологический изолятор и квантовый материал.

Типичное изображение MIM рядом с углом однослойной чешуйки WTe2. Яркие зигзагообразные линии указывают на особенности проводимости именно по краям монослоя WTe2. Фото: Cui lab, UC Riverside.

Исследования позволяют использовать эту функцию краевой проводимости для создания более энергоэффективных электронных устройств.

В типичном проводнике электрический ток течет повсюду. Изоляторы, с другой стороны, плохо проводят электричество. В топологических изоляторах, материале особого типа, внутренняя часть работает как изолятор, но границы таких материалов гарантированно являются проводящими благодаря их топологическим свойствам, в результате чего появляется функция, называемая «топологическая краевая проводимость».

Топология – это математическое исследование свойств геометрической фигуры или твердого тела, которые не изменяются при растяжении или изгибе. Применение этой концепции к электронным материалам приводит к открытию многих интересных явлений, в том числе топологической краевой проводимости. Работая как магистрали для электронов, каналы топологической краевой проводимости позволяют электронам путешествовать с небольшим сопротивлением. Кроме того, поскольку краевые каналы могут быть потенциально очень узкими, электронные устройства могут быть дополнительно миниатюрными.

Результаты исследований появляются сегодня в разделе «Научные достижения».

Юнтао Цуй - доцент кафедры физики и астрономии в Калифорнийском университете в Риверсайде

Юнтао Цуй – доцент кафедры физики и астрономии в Калифорнийском университете в Риверсайде. Фото: И. Питталвала, UC Riverside. 

«Было показано, что некоторые материалы являются трехмерными топологическими изоляторами», – сказал Йонгтао Цуй, доцент кафедры физики и астрономии в UCR, который руководил исследованиями. «Но двумерные топологические изоляторы встречаются редко. Несколько недавних экспериментов показали, что монослой WTe2 является первым атомно тонким двумерным топологическим изолятором».

Цуй объяснил, что для трехмерного топологического изолятора на его поверхностях появляется проводимость; для двумерного листового материала такие проводящие элементы находятся просто по краям листа.

Лаборатория Куи использовала новую экспериментальную технику под названием Микроволновая импедансная микроскопия, или MIM, чтобы непосредственно отобразить проводимость на краях монослоя WTe2.

«Наши результаты однозначно подтверждают краевую проводимость в этом многообещающем материале», – сказал Цуй.

Хотя WTe2, как известно, существует десятилетиями, интерес к этому материалу усилился только в последние несколько лет благодаря его экзотическим физическим и электронным свойствам, обнаруженным с помощью топологической физики. Слои WTe2 складываются вместе посредством ван-дер-ваальсовых взаимодействий и могут быть легко отслоены в тонкие, двумерные графеноподобные листы.

Иллюстрация установки измерения

Иллюстрация установки измерения. Однослойная чешуйка WTe2 находится на подложке SiO2 / Si и покрыта тонкой чешуйкой гексагонального нитрида бора (hBN), чтобы защитить ее от деградации. Фото: Cui lab, UC Riverside. 

«Помимо проводимости по краям в монослое WTe2, мы также обнаружили, что проводящие каналы могут проходить внутрь материала из-за дефектов, таких как трещины», – сказал Цуй. «Наши наблюдения указывают на новые способы управления и проектирования таких каналов проводимости с помощью механических или химических средств».

Сотрудники Цуй в Университете Вашингтона подготовили образцы монослоя WTe2. В UCR его лаборатория выполнила измерение MIM, которое включало отправку микроволнового электрического сигнала на острый металлический наконечник и размещение наконечника рядом с поверхностью монослоя WTe2. Разрешив микроволновый сигнал, отраженный от образца, исследователи могли определить, была ли область образца непосредственно под наконечником проводящей или нет.

«Мы отсканировали наконечник по всему образцу и непосредственно нанесли на карту местную проводимость», – сказал Цуй. «Мы выполнили все измерения при криогенных температурах, необходимых для того, чтобы монослой WTe2 проявил топологическое свойство. Топологические свойства монослоя WTe2 могут потенциально служить платформой для реализации важных операций в квантовых вычислениях ».

Лаборатория Куи уже изучает новые способы управления краевыми каналами проводимости и топологической физикой в ​​монослое WTe2.

«Мы изучаем, может ли укладка монослоя WTe2 с другими двумерными материалами изменить его топологическое свойство», – сказал он. «Мы также используем механические и химические методы для создания сетей каналов проводимости. Метод MIM, который мы использовали, предлагает мощное средство для характеристики каналов проводимости в топологических материалах, таких как монослой WTe2».

По материалам phys.org