Le nouveau matériau a la mobilité électronique la plus élevée parmi les matériaux magnétiques en couches connus – ScienceDaily

Un nouveau matériau a des propriétés qui en font un candidat prometteur pour de nouveaux domaines tels que les dispositifs magnétiques twistroniques et la spintronique, ainsi que les avancées dans le stockage de données et la conception de dispositifs.

Tous les éléments sont là pour commencer, pour ainsi dire; c’est juste une question de savoir de quoi ils sont capables – seuls ou ensemble. Pour le laboratoire de Leslie Schoop, une récente enquête de ce type a découvert un composé en couches avec un trio de propriétés inconnues auparavant dans un seul matériau.

Avec une équipe interdisciplinaire internationale, Schoop, professeur adjoint de chimie et associé de recherche postdoctorale Shiming Lei, a publié un article la semaine dernière dans Avancées scientifiques rapportant que le tritelluride de gadolinium (GdTe3) de van der Waals affiche la mobilité électronique la plus élevée parmi tous les matériaux magnétiques en couches connus. De plus, il a un ordre magnétique et peut facilement être exfolié.

Combinées, ces propriétés en font un candidat prometteur pour de nouveaux domaines tels que les dispositifs magnétiques twistroniques et la spintronique, ainsi que les avancées dans le stockage de données et la conception de dispositifs.

L’équipe Schoop a initialement découvert ces caractéristiques uniques au début de 2018 peu de temps après le début du projet. Leur premier succès a été de démontrer que le GdTe3 est facilement exfoliable jusqu’aux flocons ultrafins inférieurs à 10 nm. Par la suite, l’équipe a passé deux ans à raffiner la pureté des cristaux de matière à un état qui n’a servi qu’à amplifier les résultats. Le laboratoire a déjà expédié un certain nombre d’échantillons à des chercheurs désireux d’explorer comment le composé s’inscrit dans une catégorie occupée auparavant uniquement par le phosphore noir et le graphite. La grande mobilité est rare dans les matériaux en couches.

Les propriétés détaillées dans l’étude, décrites comme des oscillations quantiques ou des «ondulations» qui peuvent être mesurées, sont si prononcées qu’elles ont été observées sans les sondes et équipements spéciaux généralement trouvés dans les laboratoires nationaux.

“Habituellement, si vous voyez ces oscillations, cela dépend en partie de la qualité de votre échantillon. Nous nous sommes vraiment assis et avons fabriqué les meilleurs cristaux possibles. En deux ans, nous avons amélioré la qualité, de sorte que ces oscillations sont devenues de plus en plus dramatiques. “, a déclaré Schoop. “Mais les premiers échantillons les ont déjà montrés, même si avec les premiers cristaux que nous avons cultivés, nous ne savions pas exactement ce que nous faisions”, a déclaré Schoop.

“C’était très excitant pour nous. Nous avons vu ces résultats d’électrons très mobiles dans ce matériau auxquels nous ne nous attendions pas. Bien sûr, nous espérions de bons résultats. Mais je ne m’attendais pas à ce que ce soit aussi spectaculaire”, a ajouté Schoop. .

Lei a qualifié la nouvelle de “percée” en grande partie à cause de la forte mobilité. “Ajouter ce matériau dans le zoo des matériaux 2D van der Waals, c’est comme ajouter un ingrédient nouvellement découvert pour la cuisine, qui permet de nouvelles saveurs et de nouveaux plats”, a-t-il déclaré.

“Donc, d’abord, vous sortez ces matériaux. La prochaine chose est d’identifier le potentiel: quelle est la fonction de l’appareil que vous pouvez en faire? Quelle est la performance que nous pouvons encore améliorer en tant que prochaine génération de matériaux le long de cette ligne?”

Tritelluride de terres rares, le GdTe3 a une mobilité des porteurs au-delà de 60 000 cm2V-1s-1. Cela signifie que si un champ d’un volt par cm est appliqué au matériau, les électrons se déplacent à une vitesse nette de 60 000 cm par seconde. Pour comparer, les mobilités dans d’autres matériaux magnétiques ne sont souvent que de quelques centaines de cm2V-1s-1.

“Une grande mobilité est importante car cela signifie que les électrons à l’intérieur des matériaux peuvent se déplacer à des vitesses élevées avec une diffusion minimale, réduisant ainsi la dissipation thermique de tous les appareils électroniques construits à partir de celui-ci”, a déclaré Lei.

Les matériaux de Van der Waals – dans lesquels les couches sont liées par une force faible – sont les composés parents des matériaux 2D. Les chercheurs les étudient pour la fabrication d’appareils de nouvelle génération et également pour une utilisation en twistronique, décrite pour la première fois dans la communauté scientifique il y a quelques années seulement. Avec la twistronique, les couches de matériaux 2D sont mal alignées ou tordues lorsqu’elles se superposent. Le désalignement judicieux du réseau cristallin peut modifier les propriétés électriques, optiques et mécaniques de manière à offrir de nouvelles possibilités d’applications.

De plus, il a été découvert il y a une quinzaine d’années que les matériaux van der Waals pouvaient être exfoliés jusqu’à la couche la plus fine en utilisant quelque chose d’aussi banal que du scotch. Cette révélation a stimulé de nombreux nouveaux développements en physique. Enfin, les matériaux 2D n’ont été révélés que récemment comme présentant un ordre magnétique, dans lequel les spins d’électrons sont alignés les uns par rapport aux autres. Tous les appareils “minces” – les disques durs, par exemple – sont basés sur des matériaux classés magnétiquement de différentes manières qui produisent des rendements différents.

“Nous avons trouvé ce matériau où les électrons traversent comme sur une route – parfait, très facilement, rapidement”, a déclaré Schoop. “Avoir cet ordre magnétique en plus et le potentiel d’aller à deux dimensions est juste quelque chose de nouveau pour ce matériau.”

Les résultats de l’étude sont une bonne démonstration pour le jeune laboratoire de Schoop, créé il y a un peu plus de deux ans. Ils sont le produit d’une collaboration avec le Princeton Center for Complex Materials, un centre de recherche et d’ingénierie des matériaux financé par la NSF, et les co-auteurs Nai Phuan Ong, Sanfeng Wu et Ali Yazdani, tous professeurs du Département de physique de Princeton.

Pour bien comprendre les propriétés électroniques et magnétiques du GdTe3, l’équipe a également collaboré avec le Boston College pour les tests d’exfoliation, et le Argonne National Laboratory et le Max Planck Institute for Solid State Research pour comprendre la structure électronique du matériau à l’aide du rayonnement synchroton.

D’un point de vue plus large, ce qui a le plus satisfait Schoop dans l’étude, c’est «l’intuition chimique» qui a conduit l’équipe à commencer l’enquête avec GdTe3 en premier lieu. Ils soupçonnaient qu’il y aurait des résultats prometteurs. Mais le fait que GdTe3 les ait produits si rapidement et avec force est un signe, a déclaré Schoop, que la chimie a des contributions importantes à apporter au domaine de la physique du solide.

“Nous sommes un groupe du département de chimie et nous avons compris que ce matériau devrait intéresser les électrons hautement mobiles sur la base de principes chimiques”, a déclaré Schoop. “Nous réfléchissions à la façon dont les atomes étaient disposés dans ces cristaux et à la façon dont ils devraient être liés les uns aux autres, et non pas sur la base de moyens physiques, ce qui comprend souvent l’énergie des électrons basée sur les hamiltoniens.

“Mais nous avons adopté une approche très différente, beaucoup plus liée au dessin d’images, comme le font les chimistes, liée aux orbitales et à des choses comme ça”, a-t-elle déclaré. “Et nous avons réussi avec cette approche. C’est juste une approche tellement unique et différente pour penser à des matériaux passionnants.”

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