Jaapanis õpetasid teadlased aatomid kuuletuma neljal erineval moel

Molubdeendisulfiidi kristall loofuslikus molübdeniidis. Jaapanis pandi sama materjal käituma neljal erineval moel. Foto: Wikimedia Commons

Üheainsa aatomkihi sees võib peituda rohkem, kui esmapilgul paistab. Miski, mis täna juhib elektrit nagu metall, võib homme sulguda kui uks ja tekkida isolaator – ja ka vastupidi. Üht materjalikihtide lasu keemiliselt ja füüsikaliselt «peenhäälestades» õnnestus Jaapani õpetlastel valmis teha kõik materjalid isolaatorist ülijuhini.

Kahemõõtmeliste materjalide kuulsaim esindaja on teadagi grafeen – ühe aatomi paksune süsinikuaatomite võre, millel on imetabased elektrilised ja sooja juhtivad omadused. Tuleb välja, et samalaadseid ühe aatomi või molekuli paksusi kihte saab valmistada ka muudest ainetest. Enamgi veel: kui kaks sellist materjalikihi kohakuti panna, siis nende omavaheline pööramine muudab kogu selle «võileiva» omadusi. Ilmselt olete märganud, et näiteks triibulised riided telekraanil omapäraselt sillerdama hakkavad või kui kaht rastrit omavahel pöörata, tekib taas mustreid – seda nimetatakse muaree efektiks. Omavahel muudavad ka sel moel kahemõõtmelised kristallid neist valmistatud kihilise materjali elektrilisi ja optilisi omadusi. Jaapani riiklikus teadusuuringute keskuses (RIKEN) on mindud teist teed ja juba olemasoleva kihilise materjali erinevaid kihte on keemiliselt ja füüsikaliselt muudetud.

RIKENi teadlased  on valmis saanud uue transistoride loomise tehnika, mis võimaldab kontrollida üheainsa kahedimensioonilise materjali, molübdeenidisulfiidi (MoS₂) olekut viisil, mis muudab selle vastavalt vajadusele kas ülijuhtivaks, metalliliseks, pooljuhtivaks või isoleerivaks. Tegemist on märkimisväärse saavutusega, mis avab uusi võimalusi tipptasemel materjaliteaduses ning ülijuhtivuse uurimisel.

Aatomkihi täpsusega kontroll MoS₂ koosneb molübdeenikihtidest, mis on liivapaberina kaetud väävlikihtidega. Olenevalt aatomite paigutusest eksisteerib see kahes faasis: 2H-faas (pooljuht) ja 1T-faas (metall). Just 2H-MoS₂ peetakse paljulubavaks tulevaste pooljuhtseadmete jaoks.

RIKENi uurimisrühm, eesotsas füüsik Yoshihiro Iwasaga (Emergent Matter Science'i keskus), konstrueeris väljaefekti-transistori (field-effect transistor), mis ühendati 2H-MoS₂ kihiga. Transistori kaudu juhiti täpselt kaaliumiioonide sisestamist materjali, muutes elektroonilisi omadusi ilma struktuuri kahjustamata. Kui ioonide kontsentratsioon jõudis ligikaudu kahe kaaliumiiooni tasemele iga viie molübdeeniaatomi kohta, muutus materjali struktuur järsult metalliliseks 1T-faasis. Nii loodi sidus seos ioonide kontsentratsiooni ja faasimuutuse vahel.

Üllatav üleminek ülijuhtivusse

Veelgi üllatavam oli see, mis juhtus seejärel: teatud kaaliumisisalduse ja –268 °C juures hakkas 1T-MoS₂ käituma ülijuhina. See oli ootamatu, kuna varem oli ülijuhtivust täheldatud vaid 2H-faasis. Uurijate sõnul osutab see sellele, et kaaliumiioonid käivitavad täiesti uue elektroonilise oleku.

Ootamatu isoleerumine

Teadlasi ootas ees veel üks üllatus. Kui kaaliumi lasti järk-järgult materjalist välja ning temperatuur langetati –193 °C-ni, muutus metalliline 1T-MoS₂ hoopis isolaatoriks. See järsk kontrast näitas, kui võimas on ioonide sisestamise meetod kahedimensioonilise aine omaduste määramisel.

Teekond kümne aasta jooksul

Iwasa sõnul on see meetod välja arendatud viimase kümnendi jooksul, ning see on osutunud kasulikuks nii ülijuhtivuse ja teiste elektrooniliste faaside uurimiseks kui ka täiesti uute ülijuhtide avastamiseks. Üksainus kiht, neli võimalikku olekut – RIKENi tehnika tähistab uut ajastut materjalide disainis, kus juhtivus ei ole enam materjali fikseeritud omadus, vaid teadlase kontrollitav muutuv parameeter.

Allikas: ScienceDaily