Da bi opisali kako materija funkcioniše na beskonačno malim razmerama, istraživači označavaju kolektivna ponašanja sa jednim konceptom, kao što je nazivanje grupe ptica koje sinhronizovano lete „jato“ ili „žamor“. Poznate kao kvazičestice, fenomeni na koje se ti koncepti odnose mogli bi biti ključ za tehnologiju sledeće generacije.
U nedavnoj studiji objavljenoj u Science Advances, tim istraživača na čelu sa Shengki Huangom, vanrednim profesorom elektrotehnike i računarstva i nauke o materijalima i nanoinženjeringa u Riceu, opisuje kako se jedna takva vrsta kvazičestica – polarona – ponaša u telurenu, koji je prvi nanomaterijal. sintetizovan 2017. koji se sastoji od sićušnih lanaca atoma telurijuma i ima svojstva korisna za detekciju, elektronski, optički i energetski uređaji.
„Teluren pokazuje dramatične promene u svojim elektronskim i optičkim svojstvima kada se njegova debljina smanji na nekoliko nanometara u poređenju sa njegovom masivnom formom“, rekao je Kunian Zhang, student doktorskog studija Rice koji je prvi autor studije. „Konkretno, ove promene menjaju kako struja teče i kako materijal vibrira, što smo pratili do transformacije polarona dok teluren postaje tanji.“
Polaron se formira kada čestice koje nose naelektrisanje, kao što su elektroni, stupaju u interakciju sa vibracijama u atomskoj ili molekularnoj rešetki materijala. Zamislite da telefon zvoni u prepunoj sali tokom predavanja: Kao što publika kolektivno pomera pogled ka izvoru prekida, tako i vibracije rešetke prilagođavaju svoju orijentaciju kao odgovor na nosioce naboja, organizujući se oko aure polarizacije – otuda naziv kvazičestice.
U zavisnosti od tankosti sloja telurena, veličina ovog odgovora – tj. raspon aure – može značajno da varira. Razumevanje ove polarne tranzicije je važno jer otkriva kako fundamentalne interakcije između elektrona i vibracija mogu uticati na ponašanje materijala, posebno u malim dimenzijama.
„Ovo znanje bi moglo da pruži informaciju o dizajnu naprednih tehnologija kao što su efikasniji elektronski uređaji ili novi senzori i da nam pomogne da razumemo fiziku materijala u najmanjim razmerama“, rekao je Huang, koji je odgovarajući autor rada.
Istraživači su pretpostavili da kako teluren prelazi iz obimne u nanometarsku debljinu, polaroni se menjaju od velikih, raširenih interakcija elektron-vibracija u manje, lokalizovane interakcije. Proračuni i eksperimentalna merenja podržali su ovaj scenario.
„Analizirali smo kako su frekvencije vibracija i širine linija varirale sa debljinom i povezivali ih sa promenama u svojstvima električnog transporta, dopunjenim strukturnim distorzijama uočenim u rendgenskoj apsorpcionoj spektroskopiji“, rekao je Zhang. „Dalje, razvili smo teoriju polja da objasnimo efekte poboljšanog spajanja elektronskih vibracija u tanjim slojevima.
Sveobuhvatni pristup tima dao je dublji uvid u dinamiku polarona zavisnu od debljine u telurenu nego što je ranije bilo dostupno. Ovo je bilo moguće zahvaljujući poboljšanju naprednih istraživačkih tehnika i nedavnom razvoju visokokvalitetnih uzoraka telurena.
Otkrijte najnovije u nauci, tehnologiji i prostoru sa preko 100.000 pretplatnika koji se oslanjaju na Phis.org za dnevne uvide.
Prijavite se za naš besplatni bilten i dobijajte novosti o otkrićima,
inovacije i istraživanja koja su važna – dnevno ili nedeljno.
„Naši nalazi naglašavaju kako polaroni utiču na električni transport i optička svojstva telurena dok on postaje tanji“, rekao je Zhang. „U tanjim slojevima, polaroni lokalizuju nosioce naboja, što dovodi do smanjene mobilnosti nosioca naboja. Ova pojava je ključna za dizajniranje savremenih uređaja, koji su sve manji i oslanjaju se na tanje materijale za funkcionalnost.“
S jedne strane, smanjena mobilnost punjenja može ograničiti efikasnost elektronskih komponenti, posebno za aplikacije koje zahtevaju visoku provodljivost kao što su dalekovodi za prenos energije ili računarski hardver visokih performansi. S druge strane, ovaj efekat lokalizacije mogao bi da usmerava dizajn i razvoj senzora visoke osetljivosti i fazne promene, feroelektričnih, termoelektričnih i određenih kvantnih uređaja.
„Naša studija pruža osnovu za inženjerske materijale kao što je teluren kako bi uravnotežili ove kompromise“, rekao je Huang. „Ona nudi dragocene uvide u dizajniranje tanjih, efikasnijih uređaja dok se bavi izazovima koji proizilaze iz jedinstvenog ponašanja niskodimenzionalnih materijala, što je od vitalnog značaja za razvoj elektronike i senzora sledeće generacije.
