Get best of the week

التصغير الدقيق: أشباه الموصلات المغناطيسية ثنائية الذرات



منذ الهواتف المحمولة الأولى ، التي كان وزنها يصل إلى كيلوغرام واحد وعمل على الطاقة لمدة نصف ساعة دون إعادة الشحن ، في عالم التكنولوجيا ، كانت هناك العديد من التحسينات المفيدة والاختراعات المبتكرة والاكتشافات الثورية. بمرور الوقت ، تصبح الأدوات التي نستخدمها كل يوم تقريبًا أصغر حجمًا ، ولكن أكثر من حيث الأداء. ستنتقل هذه العملية حتمًا إلى طريق مسدود ، لأن الترانزستورات الكلاسيكية لا يمكن أن تقل إلى أجل غير مسمى ، بغض النظر عما يطلبه مصممو الهواتف الذكية أو الأجهزة اللوحية الجديدة. لذلك ، تحتاج إلى التخلي عن الكلاسيكيات وإنشاء شيء جديد تمامًا ، والذي قام به علماء من معهد Stevens للتكنولوجيا (الولايات المتحدة الأمريكية). اليوم ننظر إلى دراسة يصفون فيها أشباه الموصلات المغناطيسية الرقيقة ذريًا ، القادرة على ليس فقط استخدام شحنة إلكترونية ،ولكن أيضا تدور. ما الذي شكل أساس أشباه الموصلات الجديدة ، وكيف تم إنشاؤه ، ومدى إنتاجية هذه الجدة الثورية؟ تقرير من العلماء سيخبرنا عن هذا. اذهب.

أساس الدراسة


الدوران هو الزخم الزاوي الداخلي للجسيمات الأولية. Spintronics ، بدوره ، هو فرع من الإلكترونيات الكمومية التي تتعامل مع دراسة نقل تيار الدوران في المواد الصلبة. وبعبارة أخرى ، على النقيض من الإلكترونيات الكلاسيكية ، في الإلكترونيات السinينية ، يحدث نقل المعلومات من خلال تيار السبين.

في مجال إنشاء أجهزة جديدة ، يحاول العديد من العلماء الحصول على تحكم كامل في حاملات الشحن المستقطبة للدوران. خيار واحد لتحقيق هذا الهدف هو أشباه الموصلات المغناطيسية المخففة (DMS أو DMS من أشباه الموصلات المغناطيسية المخففة) يجمع أشباه الموصلات المغناطيسية التقليدية بين خصائص المغناطيسات المغناطيسية وأشباه الموصلات. لكن أشباه الموصلات المخففة (أو شبه المغناطيسية) هي في الأساس أشباه موصلات غير مغناطيسية يتم تضمين عدد معين من الذرات البارامغناطيسية فيها. على سبيل المثال ، عناصر السبائك للمعادن الانتقالية ، مثل الحديد (Fe) والمنغنيز (Mn) ، في أشباه الموصلات السائبة غير المغناطيسية تسمح للمرء بالحصول على DMS.

السؤال هو أن هذه DMS ، على الرغم من أنها تظهر نتائج ممتازة ، ولكنها تعمل في درجات حرارة محددة للغاية. على سبيل المثال ، نقطة كوري لأشباه الموصلات المغناطيسية المخففة (Ga ، Mn) كما هو الحال مع تركيز المنشطات بنسبة 5 ٪ مع المنغنيز يتم الوصول إليه عند 110 كلفن ، أي. عند -163.15 درجة مئوية. في هذا الصدد ، يحاول العلماء جعل DMS يعمل في درجة حرارة الغرفة من أجل الاستفادة الكاملة من مزاياهم خارج المختبر.

أدى الاكتشاف الحديث نسبيًا للمغناطيسية الحديدية في طبقات رقيقة ثنائية الأبعاد ثنائية الأبعاد (2D) ، مثل CrI 3 (الكروم ثلاثي اليود ) و Cr 2 Ge 2 Te 6 (الكروم الجرمانيوم تيلورايد) إلى تحويل تركيز البحث من البلورات السائبة إلى مواد ثنائية الأبعاد.

أحادي الطبقةتتميز مركبات ثنائي كلوريد الكربونات الانتقالية (DPM) * في شكل أشباه موصلات رقيقة ذريًا بخصائص كهربائية وبصرية فريدة تعتمد بشكل مباشر على السماكة. ومع ذلك ، تظل وحدات monolayers PDM غير مغناطيسية في شكلها الخاص.
إن مركبات ثنائي الكالوجين المعدنية الانتقالية (DPM) * هي أشباه موصلات أحادية الطبقة رقيقة تتكون من فلز انتقالي ولكالكوجين (الأكسجين ، الكبريت ، السيلينيوم ، التيلوريوم ، البولونيوم أو دودة الكبد). توجد طبقة واحدة من ذرات الفلز بين طبقتين من ذرات الكلكوجين ، والتي يمكن التعبير عنها بواسطة الصيغة MX2 (M - metal و X - chalcogen).
المنشطات من DPMs ، مثل الفاناديوم (V) ، Mn ، و Fe ، وتحويلها إلى أشباه الموصلات المغناطيسية المخففة رقيقة ذريًا (RMP) ستسمح لنا بدراسة الاقتران المغناطيسي في الهياكل المحصورة ثنائية الأبعاد. على الرغم من حقيقة أن PDMs محدودة بالذوبان والاستقرار الكيميائي ، يمكن أن تكون مخدرة إلى حد ما في RMPs أحادية الطبقة. ومع ذلك ، في مثل هذه التجارب ، لم يتم إثبات المغناطيسية الحديدية.

على الرغم من ذلك ، أظهر 2٪ Mn من المنشطات في Mn: MoS 2 monolayers نمت على ركيزة الجرافين ، و 1٪ rhenium (Re) المنشطات في Re: MoS 2 monolayer أظهرت قمع الانبعاثات عند درجات حرارة منخفضة مرتبطة بالعيوب. لذلك ، هناك فرصة لتحقيق PDMs أحادية الطبقة بشكل كامل.

أجريت دراسات سابقة حاول فيها العلماء تنفيذ مهمة صعبة مثل أشباه الموصلات المغناطيسية المخففة على أساس PDM ، لكن نتائج هذه الأعمال لم تكن مرضية بشكل خاص.

في الدراسة التي ندرسها اليوم ، ما زلنا قادرين على تحقيق نتيجة إيجابية في شكل المنشطات البديلة الناجحة لذرات Fe في الطبقة الأحادية MoS 2 .

نتائج البحث


باستخدام المنشطات بالحديد (Fe) ، تم تنفيذ الطبقة الأحادية MoS 2 عن طريق زراعة MoS 2 و Fe 3 O 4 عن طريق ترسيب البخار الكيميائي.

للقضاء على آثار التشوهات المحلية في الركيزة ، تم تغليف طبقات أحادية من MoS 2 و Fe: MoS 2 في hBN (فيلم نيتريد البورون السداسي).


الصورة رقم 1 تظهر

الصورة 1 أ صورة SEM (المجهر الإلكتروني الماسح) لـ Fe: MoS 2 monolayers . نرى مجالات مثل جزيرة مثلثة ، وهي نموذجية تمامًا لطرق توليف MoS 2 المماثلة .

الصورة 1 بيُظهر تمثيلًا تخطيطيًا للهياكل الذرية لـ Fe: MoS 2 monolayers (منظر علوي وجانبي). نظرًا لأن استبدال مواقع Mo لذرات Fe مفضل ديناميكيًا حراريًا (أي أن التفاعل لا يتطلب طاقة لحدوثه) ، فإن ذرة Fe dopant تستبدل ذرة Mo واحدة في بلورة MoS 2 . يوضح

الشكل 1 ج صورة PREM (المجهر الإلكتروني النافذ المسح) من Fe: MoS 2 monolayer. بالمقارنة مع ذرات Mo (Z = 42) ، يحتوي Fe (Z = 26) على رقم ذري (أي رقم الشحنة - عدد البروتونات في النواة الذرية) أقل بنسبة 40 ٪. نظرًا لأن شدة الإلكترونات المتناثرة تعتمد على العدد الذري ، كان من المتوقع أن تنتج ذرات Fe كثافة نسبية أقل ، والتي يمكن رؤيتها بوضوح لذرات Fe البديلة في صورة SEM.

يشير مسح PEM المقابل للشدة ( 1 د ) إلى أن معامل الشدة 0.38 ، وهو ما يتفق مع الدراسات السابقة.

لتأكيد نمو المجالات أحادية الطبقة في Fe: MoS 2 بدقة، تم فحص العينات باستخدام الفحص المجهري للقوة الذرية (AFM). سمحت لنا هذه التقنية بتأكيد أنه بعد التنظيف الرطب والتلدين الحراري ، لم تتبق جزيئات Fe3O4 بعد المنشطات على سطح Fe: MoS 2 .

تم إجراء تحليل بصري لـ Fe: MoS 2 بعد ذلك ، مما قدم دليلاً إضافيًا على أن Fe تم دمجه بنجاح في الشبكة أحادية الطبقة. أظهر التحليل الطيفي لرامان Fe: MoS 2 نمطي اهتزاز مميزين نموذجيين للطبقات الأحادية MoS 2 عند E 1 2g = 385.4 سم -1 (اهتزاز في مستوى ذرات Mo و S) و A 1g = 405.8 سم -1(اهتزاز ذرات S خارج الطائرة). يؤدي إدخال الحديد إلى تمديد عرض خط رامان من 5.8 ± 0.1 إلى 7.6 ± 0.1 سم -1 لـ A 1g ومن 4 ± 0.1 إلى 4.5 ± 0.1 سم -1 لـ E 1 2g .

بالإضافة إلى ذلك ، تمت دراسة التغييرات في شبكة أحادية الطبقة بمقارنة أطياف اللمعان الضوئي في درجة حرارة الغرفة للطبقات الأحادية MoS 2 و Fe: MoS 2 . يتم تفسير التبريد القوي الملاحظ لللمعان الضوئي عن طريق قنوات إعادة التركيب غير الإشعاعية الإضافية (حالات الالتقاط) ، والتي ترجع إلى المنشطات ، مما يؤكد الاندماج الناجح لـ Fe. تطور شدة اللمعان الضوئي كدالة لدرجة الحرارة لـ Fe: MoS 2 و MoS monolayersيظهر الرقم 2 في 1e و 1 f ، على التوالي.


تظهر الصورة رقم 2

الصورة 2 أ انبعاثًا ضوئيًا منخفض درجة الحرارة (PL) Fe: MoS 2 و MoS 2 monolayers في نطاق طاقة أوسع ، بما في ذلك وضع فجوة النطاق. عند مقارنة PL للطبقات الأحادية Fe: MoS 2 و MoS 2 ، تصبح ذروة الانبعاثات عند 2.28 eV واضحة. يوضح

الرسم البياني 2 ب انبعاث Fe: MoS 2لثلاث مثلثات مختلفة ، تظهر تغيرات كبيرة في الشدة عند ذروة 2.28 فولت. قد يكون سبب هذه التغييرات هو الفرق في تركيز dopant (Fe) بين هذه المثلثات الموجهة بشكل مختلف.

علاوة على ذلك ، من أجل استبعاد أوضاع رامان الاهتزازية المحلية المرتبطة بـ Fe كمصدر لانتقال ثقب الإلكترون * ، تم تسجيل أطياف بصرية في منطقة ذروة 2.28 eV. في هذه الحالة ، تم تعديل الطول الموجي لليزر من 405 نانومتر ( 2 ج ) إلى 532 نانومتر ( 2 د ).
انتقال ثقب الإلكترون * هو منطقة التلامس لأشباه موصلات ذات موصلات مختلفة - ثقب (إيجابي) وإلكترون (سلبي).
أظهرت مقارنة النتائج أن موقف القمة لا يتغير. هذا يؤكد أن الإشعاع المرصود المرتبط بالحديد لا ينتج عن وضع رامان الاهتزازي ، والذي سيتحول بالنسبة إلى طاقة الليزر.


الصورة رقم 3

لاستقصاء أصل ذروة PL المرتبطة بالحديد عند 2.28 فولت ، استخدم الباحثون DFT (نظرية وظائف الكثافة) لحساب البنية الإلكترونية لـ Fe: MoS 2 .

تم نماء شوائب Fe المنشطة المعزولة كبديل لذرة Mo بواسطة ذرة Fe في 5 × 5 MoS 2 supercell ( 3a ).

في 3 بيظهر هيكل المناطق المستقطبة للدوران لهذا النظام ، حيث تتناسب مساحة كل دائرة زرقاء (أو خضراء) مع تداخل الحالة مع الدوران لأعلى (أو لأسفل) وكرة نصف قطرها 1.3 Å متمركزة في ذرة Fe. يوضح الرسم البياني أن وجود Fe يقدم حالات تقع ضمن فجوة النطاق التي لم تمس MoS 2 . وحقيقة أن الدوائر الزرقاء والخضراء الكبيرة داخل النطاق الممنوع لا تتداخل تشير إلى أن Fe يحفز عزمًا مغناطيسيًا. يوضح

الشكل 3 ج مقارنة بين معدلات الانبعاث التلقائي لشريط التوصيل مع الدوران لأعلى ونطاق التوصيل لـ MoS 2 البكر . أدنى طاقة إشعاعية للحالة الأولية MoS 2هو ~ 1.79 eV ، وهو ما يتوافق مع ذروة PL كبيرة عند 2a ، والتي تنشأ نتيجة للاسترخاء على فجوة النطاق بأكملها. يقدم وجود Fe انتقالًا كبيرًا آخر مع طاقة ~ 2.32 eV ، والتي تتوافق مع الذروة المرصودة تجريبياً لانبعاث PL من Fe: MoS 2 عند 2.28 eV.

القيمة المتوقعة لذروة PL أصغر بكثير مما هو موضح في 3 ج ، لأن أي ثقب في نطاق التكافؤ المتبقي من إثارة الليزر يسترخي بسرعة كبيرة دون إشعاع إلى أقصى نطاق التكافؤ. لذلك ، ستقضي الثقوب وقتًا قصيرًا جدًا في حالة نطاق التكافؤ المقابل لانتقال 2.28 eV ، مما يجعل هذا الانتقال أقل احتمالًا بكثير من الانتقال إلى الحد الأقصى لنطاق التكافؤ.


الصورة رقم 4

في المرحلة التالية من الدراسة ، تم تقييم الخصائص المغناطيسية للطبقات الأحادية Fe: MoS 2 .

من المعروف أن الإشعاع البصري من مجمعات أيون الفلز الانتقالي يحدث عادة نتيجة لنقل الشحنة بين الليجينات والفلزات الانتقالية. يعتمد الزخم الزاوي الدوار لإلكترون في أيون بشكل كبير على الاستقطاب بسبب قواعد اختيار دوران الضوء المستقطب دائريًا. وبالتالي ، فإن أيونات المعادن الانتقالية تظهر كمية غير متساوية من امتصاص الضوء عند الإثارة مع الاستقطاب الدائري الأيمن والأيسر.

على المستوى الذري ، يرتبط امتصاص الضوء ارتباطًا وثيقًا بتحولات زيمان التي يسببها المغناطيسية. لذلك ، يمكن أن يؤدي إجراء مطيافية MCD (ازدواج دائري مغناطيسي) فكرة عن الخصائص المغناطيسية للمادة.

الرسوم البيانيةيظهر 4a و 4 b أطياف PL من Fe: MoS 2 عند الإثارة بالضوء المستقطب الدائري المقابل عند 4 ك وفي درجة حرارة الغرفة. يُظهر الإشعاع المرتبط بـ Fe ازدواجًا دائريًا قويًا * (ρ ≈ 40٪) عند 4 K و RT.
ازدواج اللون الدائري - الفرق بين معاملات امتصاص الضوء المستقطب على طول الدوائر اليمنى واليسرى.
وبالنظر إلى أن تألق المعادن الانتقالية يفقد ازدواجها الدائري فوق درجة حرارة كوري ، فإن ملاحظة ازدواج اللون القوي عند 300 ك يو توحي بأن Fe: MoS 2 يبقى مغنطيسيًا في درجة حرارة الغرفة. يوضح

الشكل 4 ج انبعاث MCD المرتبط بـ Fe كدالة في زيادة المجال المغناطيسي (النقاط الزرقاء) وانخفاض (النقاط الحمراء) في النطاق من −3 T إلى 3 T عند 4 K. تحدد حلقة التباطؤ الواضحة بوضوح الطبيعة المغناطيسية الحديدية لإشعاع PL المرتبط بالحديد. يوضح

الشكل 4 د أن Fe: MoS 2 monolayers تظهر حلقة تباطؤ M - H واضحة عند 5 K وفي درجة حرارة الغرفة. هذا يؤكد أن الطبقات الأحادية المركبة: Fe: MoS 2عرض المغناطيسية الحديدية حتى عند 300 كلفن.

في الختام ، أجرى العلماء قياس مغناطيسي ل Fe: MoS 2 monolayers لتقدير القوة المحلية للمجال المغنطيسي الحديدي عند درجة حرارة الغرفة باستخدام طريقة ODMR (الكشف عن الرنين المغناطيسي البصري).


الصورة رقم 5

يظهر طيف ODMR مثالي لـ Fe: MoS 2 و MoS 2 في 5a . في 5 ب ، يظهر الرسم البياني لانقسام زيمان للطاقة المخزنة في 24 و 20 نقطة مختلفة أحادية الطبقة Fe: MoS 2 و MoS undoped 2 على التوالي. يظهر التحليل الإحصائي أن متوسط ​​انقسام الطاقة على Fe: MoS 2 زاد بمقدار MHz 11 تقريبًا مقارنة بـ MoS النقي2 . من هذه البيانات ، وجد أن المجال المغناطيسي المحلي للعينة يمكن أن يصل إلى 0.5 ± 0.1 طن متري. هذا المؤشر قريب من ذلك المقاس في مغناطيسات ثنائية الأبعاد CrI 3 و CrBr 3 عند درجة حرارة مبردة.

حقيقة أن Fe: MoS 2 يعرض مجالًا مغناطيسيًا محليًا كبيرًا في درجة حرارة الغرفة هو دليل واضح على أن هذه المادة احتفظت بمغنطتها. لذلك ، يمكن الاستنتاج من البيانات التي تفيد أن الطبقات الأحادية Fe: MoS 2 ذات ذرات Fe المضمنة بمثابة أشباه الموصلات المغناطيسية المخففة التي تظهر مغنطيسية حديدية في درجة حرارة الغرفة.

للحصول على معرفة أكثر تفصيلاً بالفروق الدقيقة في الدراسة ، أوصيك بالنظر في تقرير العلماءومواد إضافية لها.

الخاتمة


غالبًا ما يرتبط تطوير التقنيات والأجهزة ذات الصلة براحة من يستخدمونها. أصبحت الأجهزة الحديثة أصغر ، ولكن ليس هناك الكثير من الدمج. ومع ذلك ، بغض النظر عن كيفية رغبة المستخدمين في تقليل أبعاد أدواتهم المفضلة ، فإن هذه العملية محدودة بأبعاد التصميمات الداخلية لهذه الأجهزة.

لاحظ مؤلفو هذه الدراسة أن الترانزستورات الكلاسيكية لا يمكن أن تنخفض بشكل لا نهائي ، وهو ما يتوافق مع كل من قوانين المنطق والفيزياء. ومع ذلك ، إذا لم تنجح الكلاسيكيات ، فيمكنك أن تنظر في اتجاه الحداثة ، وهو ما فعله العلماء. في عملهم ، وصفوا نوعًا جديدًا من أشباه الموصلات Fe: MoS 2الجمع بين خصائص أشباه الموصلات ومغناطيس حديدي. في عملية تكوينها ، تدفع ذرات الحديد ذرات الموليبدينوم ، إذا جاز التعبير ، لتحل محلها. نتيجة هذه العملية هي رقيقة جدا (سمك ذرتين فقط) ومادة مرنة تحتفظ بالمغنطة في درجة حرارة الغرفة.

كما يقول الباحثون أنفسهم ، لا يطيع اختراعهم قانون مور المعروف ، لأنه لا يرتبط بالقياس المادي. في عملهم ، وصفوا القدرة على استخدام ليس فقط شحنة الإلكترون ، ولكن أيضًا دورانها ، مما يوسع إمكانيات التقنيات المستقبلية.

قد يكون أساس أجهزة المستقبل ، المرنة والخفيفة والشفافية ، وفقًا للعلماء ، هو الفهم الكامل والسيطرة على خصائص المواد التي سيتم صنعها منها.

شكرا لكم على اهتمامكم ، ابقوا فضوليين وأتمنى لكم أسبوع عمل جيد يا رفاق. :)

القليل من الدعاية :)


أشكركم على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ هل تريد رؤية مواد أكثر إثارة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية لأصدقائك VPS القائم على السحابة للمطورين من $ 4.99 ، وهو نظير فريد من نوعه لخوادم مستوى الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة عن VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 نوى) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps من $ 19 أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر الخيارات مع RAID1 و RAID10 ، حتى 24 مركزًا و 40 جيجابايت DDR4).

Dell R730xd أرخص مرتين في مركز بيانات Equinix Tier IV في أمستردام؟ فقط لدينا 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV من 199 دولارًا في هولندا!Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 جيجا هرتز 6C 128 جيجا بايت DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - من 99 دولار! اقرأ عن كيفية بناء مبنى البنية التحتية الفئة c باستخدام خوادم Dell R730xd E5-2650 v4 بتكلفة 9000 يورو مقابل سنت واحد؟

More articles:


All Articles