В полупроводниках атомарной толщины нашли водовороты-мероны
Два слоя атомарного полупроводника повернули на 0,1 градуса относительно друг друга и обнаружили сеть крошечных электрических «водоворотов».
Дмитрий ПавловАвтор Hi-Tech Mail
Достаточно было еще немного повернуть — и получилась бы не сенсация, а просто плохо скрученный наноматериал. Но физики из Австралии сделали именно тот поворот, который оказался нужен: всего на 0,1 градуса. Манипуляцию выполнили в двух атомарно тонких слоях диселенида вольфрама (WSe2), после чего удалось напрямую увидеть необычные структуры, похожие на крошечные водовороты. До сих пор о них знали только в теории.
Речь идет о меронах и антимеронах — топологически нетривиальных структурах электрической поляризации. Их существование в скрученных двумерных полупроводниках до сих пор оставалось предметом споров и теоретических расчетов. Теперь исследователи получили прямое экспериментальное подтверждение их существования. Работа опубликована в журнале Science Advances.
Повернули на волосок — получили «мозаику» из вихрей
Эксперимент начался с двух сверхтонких слоев WSe2. Их сложили друг на друга и повернули относительно друг друга примерно на одну десятую градуса. Из-за такого микроскопического рассогласования возникла так называемая муаровая сверхрешетка (moiré superlattice) — повторяющийся наномасштабный рисунок, в котором чередуются разные варианты расположения атомов.
Но самое интересное происходило не с атомами. Внутри такой структуры электрическая поляризация материала начинает закручиваться. В результате формируется регулярная сеть меронов и антимеронов — своеобразных «полувихрей» поляризации.
Чтобы увидеть происходящее, физики использовали высокоразрешающую векторную пьезоэлектрическую силовую микроскопию (PFM). Она позволила не просто обнаружить поляризацию, а определить ее направление в разных точках материала.
И здесь исследователям удалось разобраться с важной проблемой: что именно создает наблюдаемую структуру — поворот слоев или механическая деформация диселенида вольфрама.
Скрутка и деформация больше спрячутся за одной ширмой
Команда построила карты поляризации и смогла разделить вклад скручивания и деформации. Экспериментальные данные затем сопоставили с теоретическими расчетами, включая расчеты методом функционала плотности и крупномасштабное моделирование молекулярной динамики.
Модели воспроизвели циркуляцию поляризации и характерное закручивание, ожидаемое для меронов и антимеронов. Исследователи также наблюдали разные типы таких структур, что позволило отличить эффекты поворота от эффектов неоднородной деформации.
Раньше похожие топологические полярные структуры в основном находили в значительно более толстых оксидных материалах. Здесь же речь идет о полупроводниковой системе толщиной всего в несколько атомов. Именно это делает результат особенно интересным для физики двумерных материалов.
Зачем вообще нужны эти нанометровые «водовороты»
До готовых устройств на основе меронов еще далеко. Однако открытие дает исследователям новый способ управлять свойствами сверхтонких материалов.
Авторы работы указывают, что такие полярные состояния потенциально можно контролировать электрическим полем, механической деформацией или специально подобранной подложкой. Это открывает направление для будущей сверхтонкой электроники, где нужные свойства материала задаются минимальным поворотом одного атомарного слоя относительно другого.
Для понимания масштаба можно вспомнить другую публикацию Hi-Tech Mail: там представлена самая тонкая линза в мире, ее толщина составляет всего 3 атома.
ХимияФизикаПоделиться
