في العالم الحديث ، من الصعب أن تفاجئ شخصًا بهاتف محمول ، حيث يمكنك الاتصال وإرسال الرسائل القصيرة حصريًا. الآن الكل يريد كل شيء في زجاجة واحدة: مكالمات من أي مكان في العالم ، وكاميرا رائعة لتصوير فيديو بدقة 4K ، وحالة لا يمكن اختراقها وبطارية تكفي لنصف الحياة. هذا المبدأ لا ينطبق فقط على الأشياء اليومية ، ولكن أيضًا على العناصر الكيميائية. يبحث العديد من العلماء عن أكثر العناصر تنوعا ، والسبائك ، والمركبات ، وما إلى ذلك التي تجمع بين أكثر الخصائص القطبية. اليوم سوف نتعرف على دراسة أثبت فيها العلماء أن مادة التنغستن تيلوريد (WTe
2 ) لها معدن طبيعي وكهرو متعلق بالعازل الكهربائي الشفاف ، بينما تظل شبه مميتة. ماذا تعني كل هذه المصطلحات الملتوية ، ولماذا هي مدهشة للغاية ، وأين يمكن تطبيقها في الممارسة؟ نتعرف على هذا من تقرير مجموعة الأبحاث. دعنا نذهب.
أساس الدراسة
تتمتع المواد الكهروضوئية بلحظة ثنائية القطب كهربائية تلقائية (الاستقطاب) حتى في حالة عدم وجود مجال كهربائي خارجي. يمكن أن تمر لحظة ثنائي القطب الكهربائي العفوي هذه مرارًا وتكرارًا بين حالتين أو اتجاهين مكافئين بقوة عند تطبيق مجال كهربائي خارجي ، مما يدمر الانحلال ويشكل الأساس الأساسي للعديد من التطبيقات التكنولوجية للمواد الكهروضوئية. للكهروإجهادية ، التركيب البلوري غير المتماثل هو المطلب الوحيد.
ولكن بالنسبة للمواد القطبية ، بالإضافة إلى عدم تناسق البنية البلورية ، يجب أن يوجد محور قطبي فريد. ولكي تُعتبر المادة كهربي حراري ، يجب أن تكون قطبية وتعرض قابلية الاستقطاب على طول المحور القطبي.
غالبًا ما تُنسب خصائص الطاقة الكهربائية الحديدية إلى العوازل وأشباه الموصلات ، بدلاً من المعادن. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن
إلكترونات التوصيل * في المعادن تحمي الحقول الداخلية الثابتة الناشئة عن
ترتيب ثنائي القطب طويل المدى * .
إلكترونات التوصيل * هي إلكترونات قادرة على نقل شحنة في البلورة.
الترتيب طويل المدى * هو ترتيب الذرات أو الجزيئات ، والذي يتكرر على مسافات غير محدودة ، وهو ما يميز الترتيب بعيد المدى عن الترتيب قصير المدى.
وهنا ينقلنا العلماء إلى الماضي القريب نسبياً. في عام 1965 ، عمل فيليب أندرسون وإدوارد بلونت ،
اعتبارات التناظر حول التحولات المرينسيتية: المعادن الحديدية؟ التي تصف فئة جديدة من المواد. هذه المادة ، التي لها خصائص المعدن مع المحور القطبي وهيكل بلوري غير متماثل مع انعكاس ، كانت تسمى المعدن الكهربائي. ومع ذلك ، فإن تأكيد هذه الحسابات النظرية تجريبيًا في ظروف درجة حرارة الغرفة كان يمثل مشكلة حتى الآن ، إن لم يكن مستحيلًا.
لقد تدفقت الكثير من المياه منذ الستينيات ، وأصبح عالم العلوم أكثر ثراءً. تمكنت الدراسات الحديثة من إظهار التطبيقات التجريبية الناجحة إلى حد ما للأنظمة المعدنية التي خضعت هياكلها للانتقال من عدم التناسق المركزي إلى عدم التناسق المركزي. وتشمل هذه المواد LiOsO
3 في 140 K و Cd
2 Re
2 O
7 في 200 K.
في العمل الذي نفكر فيه اليوم ، ركز العلماء على WTe
2 البلورية السائبة ، التي تجمع بين المعدن الطبيعي والكهرباء الحديدية في درجة حرارة الغرفة. ومثل هذا الدمج بين الخصائص ، كما يقول الباحثون أنفسهم ، يمكن أن يكون مفيدًا للغاية في تطوير تقنية النانو.
نتائج البحوث
الآن دعنا نصل إلى الجزء الممتع. ما هو WTe
2 ؟ كما نعلم بالفعل ، وهذا هو التنغستن تيلوريد. تنتمي هذه المادة إلى ديكالوجينيدات المعدن الانتقالية ، والتي تحتوي على مجموعة متنوعة من الهياكل البلورية: سداسية (2H) ، وحيدة النسيلة (1T) والرومينية (Td).
الصورة رقم 1في حالة WTe
2 ، يحدث بنية بلورية معينية (
1A ) ، حيث يتم تنسيق ذرات التنغستن (W) في أوكتاهدرايا بواسطة ذرات التيلوريوم (Te) ، والطبقات المتعاقبة بينهما تدور 180 درجة. بسبب الترابط القوي بين المعادن ، تشكل ذرات التنغستن سلاسل متعرجة ذات منحنى طفيف ، مما يؤدي إلى تشويه التيلوريوم أوكتاهيدرا (حول كل ذرة تنغستن).
octahedron * هو متعدد الوجوه مع ثمانية وجوه.
تُظهر الصورة
1B تحليل حيود الأشعة السينية لبلورات WTe
2 المفردة مع اتجاه المحور
c . وتؤكد قمم الحيود (00l) وجود مرحلة بلورية واحدة من Td في WTe
2 ، أي بنية بلورية معينية. عدم وجود تناسق انعكاس في مرحلة Td جعل من الممكن تحديد WTe
2 على أنه من النوع II Weyl semimetal.
الفرق الرئيسي بين WTe
2 و dichalcogenides الانتقال المعدني الأخرى هو حقيقة أن WTe
2 هو نصف مميت في حالته الأرضية ، وليس أشباه الموصلات.
أكد قياس نقل الشحنة الكهربائية (
1C ) الحالة الأرضية شبه المعدنية لـ WTe
2 . ويلاحظ أيضًا انخفاض في المقاومة مع انخفاض في درجة الحرارة من درجة حرارة الغرفة إلى 10 كلفن ، وهو ما يميز الأنظمة المعدنية. وأظهرت قياسات المقاومة المغناطيسية عند 30 mK مع مجال مغناطيسي يصل إلى 10 T تذبذبات Shubnikov-de Haas واضحة مع أربعة ترددات أساسية (
1D و
1E ) ، والتي تعمل بمثابة تأكيد لأربعة سطوح Fermi تتكون من مجموعتين من الجيوب الإلكترونية وثقب. يمكن أن يكون وجود الثقوب والإلكترونات الحرة مصدرًا لمقاومة مغناطيسية عالية غير مشبعة في WTe
2 .
لذلك ، هناك موصلية معدنية تصل إلى 30 mK ، وعدم التناسق ، على الرغم من الضرورة ، لا يكفي للكهرباء الحديدية. بالنظر إلى هذا ، يسأل العلماء السؤال - هل تعتبر مجموعة WTe
2 شبه الحرارية التي تضم مجموعة فضائية غير متناظرة ، كهروضوئية؟
بحث الباحثون عن إجابة لهذا السؤال الهام باستخدام المجهر باستخدام القوة الكهروإجهادية (PFM) ، والذي يعد ممتازًا لدراسة التركيب الدقيق للنطاقات وديناميكيات الاستقطاب في المواد الكهروضوئية الكلاسيكية. يستخدم هذا النوع من الفحص المجهري التأثير الكهروإجهادي المعكوس ويكشف عن تشوه الشبكة بسبب الحقل الكهربائي المطبق.
كانت العينات قيد الدراسة عبارة عن قطع صغيرة أحادية البلورة من WTe
2 بسماكة عدة عشرات من الميكرومترات (
2A و
2B ).
الصورة رقم 2تم قياس جميع المعلمات في درجة حرارة الغرفة في بيئة جافة خاملة. تُظهر الصور
2C -
2H صورًا لمجهر القوة كهرضغطية للعينات ، مما يؤكد وجود مجالات كهروضوئية مضادة للتوازي ، يتراوح متوسط حجمها بين 20 و 50 نانومتر. يُعتبر سطح العينات مسطحًا ذريًا مع وجود جذر متوسط للخشونة يبلغ 0.2 نانومتر (
2C ). بالإضافة إلى المجالات البيضاوية (
2G و
2 H ) ، تم اكتشاف المجالات المشابهة للقطاعات أيضًا (تم وضع علامة على الأسهم في
2D ).
تشير هذه الملاحظات الخاصة بالمجالات في بلورات WTe
2 شبه المميتة إلى أن WTe
2 لا يحتوي فقط على محور قطبي (محور
c ) ، ولكن أيضًا له حالات استقطاب ثنائية الاستقرار ، والتي تظهر بوضوح كمجالات مضادة متوازية ثابتة. وهذا بدوره يثبت تمامًا وجود الكهرباء الحديدية في WTe
2 شبه المعدني في درجة حرارة الغرفة.
مؤشر مهم على WTe
2 هو استقراره. سطح WTe
2 حساس للغاية ويمكن أن يخضع للأكسدة في الهواء. يتكون أكسيد السطح نتيجة لإطلاق الروابط الثانوية W - O (WO
x ) و Te - O (TeO
2 ) على سطح WTe
2 . أكسدة WTe
2 هي عملية ذاتية التحديد وتؤدي إلى تكوين طبقة أكسيد سطحية غير متبلورة بسمك حوالي 2 نانومتر.
تعتبر البلورات السائبة وعينات WTe
2 السميكة نسبيًا أكثر ثباتًا في الهواء مقارنة بالعينات متعددة الطبقات ، وخاصة الطبقة الواحدة والثانية WTe
2 . بالإضافة إلى ذلك ، لا توجد مجموعة مكانية قطبية في المواد غير المتبلورة ، ولا يمكن أن تحدث الكهرباء الحديدية ، حيث لا توجد إلا في المواد البلورية.
سمة أكثر أهمية من متعلق بالعازل الكهربائي الشفاف هي إعادة توجيه الاستقطاب باستخدام مجال كهربائي خارجي. تكمن المشكلة في أنه ، على عكس العزل الكهربائي ، من الأصعب بكثير تبديل الاستقطاب في WTe
2 بسبب الموصلية العالية: التحيز المطبق يسبب تيار كهربائي بدلاً من التأثير على التشوهات القطبية.
يمكن حل هذه المشكلة عن طريق إدخال طبقة عازلة بين جهات الاتصال ، مما سيسمح بتطبيق مجال كهربائي على WTe
2 وتحقيق التبديل الكهروحراري.
الصورة رقم 3لتحقيق مثل هذا التكوين واستبعاد إمكانية الإدخال المباشر للشحن من الطرف إلى WTe
2 ، تم إعداد عينات من الأفلام الرقيقة باستخدام هندسة المكثف (
3A ). في هذا الهيكل ، يتم حظر التيار بواسطة الطبقة العازلة في الواجهة الكهروضوئية / المعدنية ، لأن سطح عينة WTe
2 يتعرض لفترة وجيزة للهواء قبل أن يشكل الترسب المعدني طبقة أكسيد رقيقة جداً.
ويبين الشكل
3B رقاقة WTe
2 معدنية على سطح ركيزة من السيليكون المطلي Ti / Au. سمك لوحة WTe
2 15 نانومتر ، وسمك القطب العلوي Ti / Au المعدني 9.5 نانومتر. وبالتالي ، يتم تخفيف التدفق الحالي إلى حد كبير في هذا التكوين ، على الرغم من حقيقة أن لوحة WTe
2 معدنية.
الآن كان من الضروري إثبات أن تبديل الاستقطاب الكهروضوئي من WTe
2 هو حقيقي. لهذا الغرض ، أجريت قياسات PFM الطيفية من خلال القطب العلوي في هندسة المكثف ، والتي تم استخدامها بنجاح في وقت سابق لقياسات PFM من القطب الكهربائي الفرعي. تظهر استجابة كهرضغطية التي تم الحصول عليها كدالة للتحيز المطبق (
3C و
3 D ) سلوك التباطؤ القابل للتحويل ، والذي يوجد أيضًا في الإلكترودات الكهربائية التقليدية BaTiO
3 و Pb (Zr
x Ti
1-x ) O
3 .
في الصور
3E -
3G ، يكون الاستقطاب المتبقي ذي الاتجاه المعاكس والذي يتحكم فيه التحيز مرئيًا بوضوح. يلاحظ العلماء أن مثل هذا التبديل بين حالات الاستقطاب المكافئ المعاكس لـ WTe
2 يمكن إجراؤه بشكل متكرر.
للتعرف أكثر تفصيلاً على الفروق الدقيقة في الدراسة (خاصة مع الحسابات النظرية) ، أوصي بأن تنظر في
تقرير العلماء .
خاتمة
في هذا العمل ، تمكن العلماء من تطبيق مفهوم المعادن الحديدية ، التي تم وصفها في عام 1965. تم تأكيد العمليات الحسابية والنظريات من خلال دراسة عملية للعينة ، والتي لعبت دورها ويل ويل نصفين WTe
2 .
يعرض الجزء الأكبر البلورية WTe
2 حالات استقطاب ثنائية الاستقرار تتحول تحت تأثير مجال كهربائي خارجي. وبالتالي ، تعد القدرة الكهروضوئية من الخصائص السائبة لـ WTe
2 ولا تقتصر على عينات أحادية الطبقة.
ينوي العلماء الاستمرار في دراسة الطاقة الكهرمائية في مواد أخرى ذات طبقات معدنية ، لأنها يمكن أن تصبح عنصرًا مهمًا في التقنيات النانوية المستقبلية ، خاصة بالنسبة للإلكترونيات ذات الاستهلاك المنخفض للغاية للطاقة.
شكرا لك على اهتمامك ، ابقَ فضوليًا ولديك أسبوع عمل جيدًا يا شباب! :)
شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ تريد أن ترى المزيد من المواد المثيرة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية به لأصدقائك ،
خصم 30٪ لمستخدمي Habr على تناظرية فريدة من خوادم الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1 جيجابت في الثانية من 20 $ أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر خيارات مع RAID1 و RAID10 ، ما يصل إلى 24 مركزًا وما يصل إلى 40 جيجابايت من ذاكرة DDR4).
ديل R730xd 2 مرات أرخص؟ فقط لدينا
2 من Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6 جيجا هرتز 14 جيجا بايت 64 جيجا بايت DDR4 4 × 960 جيجا بايت SSD 1 جيجابت في الثانية 100 TV من 199 دولار في هولندا! Dell R420 - 2x E5-2430 سعة 2 جيجا هرتز 6 جيجا بايت 128 جيجا بايت ذاكرة DDR3 2x960GB SSD بسرعة 1 جيجابت في الثانية 100 تيرابايت - من 99 دولارًا! اقرأ عن
كيفية بناء البنية التحتية فئة باستخدام خوادم V4 R730xd E5-2650d تكلف 9000 يورو عن بنس واحد؟