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)存儲和器件設(shè)計方面的進步。

可以這么說，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—單獨或一起。對于萊斯利·斯科普(Leslie Schoop)的實驗室而言，最近的一項此類研究發(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。

在國際跨學科團隊的帶領(lǐng)下，化學助理教授Schoop和博士后研究助理Shiming Lei上周在《科學進展》上發(fā)表了一篇論文，報道范德華斯三碲化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，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)存儲和器件設(shè)計方面的進步。

在項目開始后不久，Schoop團隊最初在2018年初發(fā)現(xiàn)了這些獨特的特征。他們的第一個成功是證明GdTe3可以容易剝落至10nm以下的超薄薄片。隨后，該團隊花費了兩年的時間將材料晶體的純度提高到只能放大結(jié)果的狀態(tài)。該實驗室已經(jīng)向研究人員運送了許多樣品，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。高流動性在層狀材料中很少見。

研究中詳細描述的特性被描述為可以測量的量子振蕩或“擺動”，以至于沒有國家實驗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，制造出了最好的晶體。在兩年的時間里，我們提高了質(zhì)量，因此這些振蕩變得越來越劇烈”，Schoop說。舒普說：“但是，盡管我們生長的是第一批晶體，但第一批樣品已經(jīng)顯示出了它們。”

“對我們來說，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。當然，我們希望獲得良好的結(jié)果。但是我沒想到它會具有如此驚人的效果，” Schoop補充說。 。

雷將新聞定性為“突破”，主要是因為其流動性高。他說：“將這種材料添加到2D van der Waals的動物園中，就像添加一種新發(fā)現(xiàn)的烹飪原料一樣，它可以帶來新的風味和菜肴。”

“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一步提高性能嗎?”

稀土三碲化物GdTe3的載流子遷移率超過60,000 cm2V-1s-1。這意味著，如果對材料施加1伏/厘米的電場，電子將以60,000厘米/秒的凈速度移動。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，因為這意味著材料內(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。

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，幾年前才在科學界首次對其進行描述。使用Twistronics時，二維材料的層在彼此疊置時會錯位或扭曲。晶格的明智錯位會改變電氣，光學和機械性能，可能會帶來新的應(yīng)用機會。

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。這個啟示激發(fā)了物理學的許多新發(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齊。所有“薄”設(shè)備(例如硬盤驅(qū)動器)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：“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，而且具有達到二維的潛力，對于這種材料來說，這是獨一無二的。”

這項研究的結(jié)果很好地展示了Schoop成立于兩年前的年輕實驗室。它們是與普林斯頓復雜材料中心，NSF資助的材料研究科學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·亞茲達尼合作的產(chǎn)物。

為了充分了解GdTe3的電子和磁性，該團隊還與波士頓學院進行了剝落測試，并與Argonne國家實驗室和馬克斯·普朗克固體研究所合作，利用同步輻射來了解材料的電子結(jié)構(gòu)。

從更廣泛的角度來看，Schoop最滿意這項研究的是“化學直覺”，這導致團隊首先開始使用GdTe3進行研究。他們懷疑會有可喜的結(jié)果。Schoop表示，但是GdTe3如此迅速而有力地產(chǎn)生它們的事實是一個信號，表明化學對固態(tài)物理學領(lǐng)域做出了重大貢獻。

肖普說：“我們是化學系的一個小組，我們發(fā)現(xiàn)這種材料應(yīng)該是基于化學原理的高度可移動電子所感興趣的。”“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理解電子的能量。

她說：“但是我們采取了一種非常不同的方法，與化學家一樣，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)。”“而且我們在這種方法上取得了成功。在考慮令人興奮的材料時，這是一種獨特而又不同的方法。”