25.10.2021, 09:09
Исследователи под руководством профессора Передового института исследования материалов Университета Тохоку Такафуми Сато изучили дихалькогенид переходного металла, состоящий из одного атома тантала и двух атомов селена. Такой металл является атомарно тонким полупроводником, а его межатомными взаимодействиями можно манипулировать, чтобы сделать из него диэлектрик.
При крайне низких температурах учёным удалось получить необычную фазу переходного металла и сохранить её при комнатной температуре.
Согласно теории электропроводимости, Моттовы диэлектрики должны быть проводниками, однако вопреки ей они являются изоляторами. Дело в том, что для некоторых оксидов эта теория не работает.
Зонная теория вводит понятие запрещенной зоны. Фактически, это энергия, которой должна обладать квазичастица — дырка или электрон — чтобы пройти через неё. Если запрещенная зона отсутствует, мы имеем дело с металлами, а если она невелика — составляет порядка 1–2 эВ — квазичастица может «перескочить» запрещенную зону, в таком случае речь идет о полупроводниках. Если запрещенная зона велика, частица не может её преодолеть, именно так и получаются диэлектрики. Для некоторых оксидов зонная теория предсказывает прекрасную проводимость, однако фактически они таковыми не являются — в дело вступает кулоновское взаимодействие.
В диэлектрике энергия отталкивания электронов выше их средней кинетической энергии, поэтому электроны не смогут свободно передвигаться внутри материала, и проводить электрический ток. В 1T-TaSe2 это экзотическое поведение может быть усилено волной плотности заряда из электронов проводимости.
Используя методы спектроскопии, исследователи обнаружили, что чрезвычайно тонкий изолятор перестраивает свои компоненты в сложной форме, напоминающую звезду Давида. Такое расположение оказалось устойчивым к более высоким температурам. В плоских материалах полученная фаза была устойчива, в то время как в объемных материалах она легко разрушалась.
Схема «перескока» электронов в объемных и однослойных материалах. Takafumi Sato et al.
Фаза «Моттовского диэлектрика» в объемных материалах может быть легко преобразована в металлическую фазу путем нагрева и воздействия солнечного света из-за перескока электронов между соседними слоями, но однослойные материалы очень устойчивы к этим возмущениям, потому что прыжки между слоями в принципе отсутствуют.
Исследователи также изучили фазу Моттовского диэлектрика в другом монослойном дихалькогениде переходного металла, состоящем из одного атома ниобия и двух атомов селена. Они обнаружили такое же искажение решетки. По словам Сато, несмотря на то, что «изолирующая» фаза зарождалась при невероятно низких температурах, она сохранялась при нагревании материала вплоть до 450 Кельвинов, что значительно выше комнатной температуры. Это закладывает основу для реализации устройств на основе монослойного волнового диэлектрика Мотта, работающего при комнатных температурах и может открыть путь к созданию функциональных ультратонких моттроников — электроники на основе моттовских диэлектриков.
Далее исследователи планируют изучить возможность контроля такой фазы с помощью внешних факторов, а также искать подобные экзотические квантовые свойства в других переходных металлах.
Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.
