Νανοτεχνολογία: Νέα υλικά με ενδιαφέρουσες ιδιότητες ή όταν νέες συνθέσεις αποκαλύπτουν ιδιαίτερα χαρακτηριστικά

Ερευνητές πρόσφατα έχουν συνθέσει ένα αριθμό από «ξαδέλφια» του γραφένιου: φύλλα των στοιχείων της ομάδας-IV του Περιοδικού Πίνακα, με πάχος ενός ατόμου, όπως το πυριτένιο (που διαμορφώνεται από πυρίτιο) και γερμανένιο (από γερμάνιο). Τέτοια υλικά αναμένεται να είναι τοπολογικοί μονωτές-υλικά που είναι μονωτές στο εσωτερικό τους αλλά είναι αγωγοί στην επιφάνειά τους. Ωστόσο, το γερμανένιο και το πυριτένιο έχουν μέχρι τώρα συντεθεί σε μεταλλικά υποστρώματα, των οποίων η αγωγιμότητα καθιστά αδύνατη την μελέτη των ιδιοτήτων των τοπολογικών μονωτών. Τώρα, δυο νέες μελέτες δείχνουν ότι το γερμανένιο μπορεί να αναπτυχθεί σε ένα μονωτικό υπόστρωμα διθειούχου (ή δισουλφίδιο του) μολυβδαινίου (MoS2), ενώ παραμένει ένας τοπολογικός μονωτής.

Η διαφορά μεταξύ γραφένιου και γερμανένιου βρίσκεται στη σύζευξη τροχιακού σπιν (spin-orbit coupling – SOC) που απαιτείται για τη δημιουργία της απαραίτητης ζώνης απογύμνωσης για τους τοπολογικούς μονωτές. Η σύζευξη του γερμανένιου είναι πολύ ισχυρότερη από αυτή του γραφένιου, αλλά μπορεί να μειώνεται όταν τα ηλεκτρόνια του γερμανένιου διασταυρώνονται με αυτά ενός υποστρώματος.

Από την εργασία 2

Υπολογισμοί από επιστήμονες στο Πανεπιστήμιο του Τβέντε, στην Ολλανδία, υποστηρίζουν την άποψη ότι η απώλεια της σύζευξης μπορεί να ελέγχεται όταν χρησιμοποιείται το υπόστρωμα του διθειούχου μολυβδαινίου. Οι συγγραφείς της μελέτης (1) βρήκαν ότι οι διπλοστοιβάδες γερμανένιου-διθειούχου μολυβδαινίου συγκρατούν μια μικρή μονωτική ζώνη απογύμνωσης και ότι το γερμανένιο που περικλείεται μεταξύ δυο στρωμάτων διθειούχου μολυβδαινίου κρατάει μια ακόμη ευρύτερη ζώνη απογύμνωσης. Και στις δυο ομάδες υπολογισμών το γερμανένιο συμπεριφέρθηκε ως ένας τοπολογικός μονωτής.

Από την εργασία 2

Σε μια ανεξάρτητη μελέτη (2), που έγινε επίσης στο Πανεπιστήμιο του Τβέντε, αναπτύχθηκε γερμανένιο σε διθειούχο μολυβδαινίο και η ηλεκτρονική τους συμπεριφορά περιγράφηκε μέσω πειραμάτων σάρωσης σήραγγας. Η πυκνότητα των ηλεκτρονικών καταστάσεων που μετρήθηκε είναι υποδηλωτική ενός υλικού «Dirac», στο οποίο τα ηλεκτρόνια κινούνται σε δυο διαστάσεις ως σωμάτια χωρίς μάζα. Σύμφωνα με τους συγγραφείς αυτής της μελέτης, το γερμανένιο κρατάει την Dirac φύση του επειδή τα ηλεκτρόνιά του συζευγνύονται μόνο ασθενώς με το υπόστρωμα του διθειούχου μολυβδαινίου μέσω αλληλεπιδράσεων van der Waals. Πειράματα που σχεδιάζονται σε χαμηλές θερμοκρασίες θα αξιολογήσουν αν γερμανένιο σε διθειούχο μολυβδαινίο είναι ένας τοπολογικός μονωτής, όπως προβλέφθηκε από την πρώτη μελέτη (1).

Πηγή: American Physical Society

Περισσότερα στις μελέτες:

(1) Z2 Invariance of Germanene on MoS2 from First Principles, Phys. Rev. Lett. 116, 256805 – Published 21 June 2016

(2) Structural and Electronic Properties of Germanene on MoS2, Phys. Rev. Lett. 116, 256804 – Published 21 June 2016