วัสดุอิเล็กโทรดสองมิติสร้างตัวนำยิ่งยวดที่มีแนวโน้ม - โลกฟิสิกส์

วัสดุอิเล็กโทรดสองมิติสร้างตัวนำยิ่งยวดที่มีแนวโน้ม - โลกฟิสิกส์

ประทับเวลา: 18 ตุลาคม 2023 7:00 น.

แผนภาพของ AlH2
ในชั้นเดียว 2 มิติของอะลูมิเนียมไฮไดรด์ (AlH2) อิเล็กตรอนประจุลบส่วนเกินที่ได้จากอะลูมิเนียมจะถูกจำกัดอยู่ในจุดตัดของโครงอะลูมิเนียม การใช้ความเครียดจะเปลี่ยนการกำหนดค่าอิเล็กตรอนนี้ และเพิ่มอุณหภูมิวิกฤติสำหรับความเป็นตัวนำยิ่งยวด (เอื้อเฟื้อโดย: Z Zhao)

การศึกษาเชิงทฤษฎีใหม่ให้ความกระจ่างเกี่ยวกับความสัมพันธ์ระหว่างความเป็นตัวนำยิ่งยวดกับอิเล็กตรอน "ส่วนเกิน" ในวัสดุที่เรียกว่าอิเล็กโทรด การศึกษาบนชั้นเดียวของอะลูมิเนียมไฮไดรด์ แสดงให้เห็นว่าวัสดุนี้ควรเป็นตัวนำยิ่งยวดทั่วไปที่มีอุณหภูมิการเปลี่ยนผ่านวิกฤต TC 38 K – อุณหภูมิตัวนำยิ่งยวดในการเปลี่ยนผ่านที่สูงที่สุดในบรรดาอิเล็กโทรดสองมิติทั้งหมดที่รายงานจนถึงปัจจุบัน

อิเล็กโทรดเป็นของแข็งไอออนิกประเภทหนึ่งที่มีอิเล็กตรอนมากกว่าที่คาดไว้จากทฤษฎีคลาสสิก (พันธะเวเลนซ์) อิเล็กตรอนเพิ่มเติมเหล่านี้เรียกว่าอิเล็กตรอนประจุลบคั่นระหว่างหน้า (IAE) เนื่องจากไม่ได้จับกับอะตอมใดๆ แต่กลับติดอยู่ในช่องว่างภายในโครงตาข่ายผลึกของวัสดุ

ทฤษฎีเสนอแนะว่าการจัดการ IAE เหล่านี้อาจเป็นแนวทางใหม่ในการปรับคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ของวัสดุ ความเป็นไปได้ที่ยั่วเย้ายิ่งกว่านั้นอีกประการหนึ่งก็คือ IAE สามารถโต้ตอบกับการสั่นสะเทือนของโครงผลึก (โฟนัน) ได้แรงกว่าอิเล็กตรอน "ปกติ" ซึ่งจะนำไปสู่การเป็นตัวนำยิ่งยวด

อย่างไรก็ตาม อิเล็กโทรดที่เป็นตัวนำยิ่งยวดส่วนใหญ่ที่ศึกษาจนถึงปัจจุบันนั้นเป็นวัสดุสามมิติจำนวนมาก ซึ่งจะกลายเป็นตัวนำยิ่งยวดที่ความดันสูงมากเท่านั้น (หลายร้อยกิกะปาสคาล) หรืออุณหภูมิที่ต่ำมาก (ต่ำกว่า 10 เคลวิน) สิ่งนี้จำกัดการใช้งานในพื้นที่ต่างๆ เช่น การรบกวนควอนตัมตัวนำยิ่งยวดและอุปกรณ์ควอนตัมดอทตัวนำยิ่งยวดอิเล็กตรอนเดี่ยว

มีแนวโน้มมากขึ้นที่นักวิจัยค้นพบเมื่อเร็ว ๆ นี้ว่าอิเล็กโทรดสองมิติ (2D) สามารถทำหน้าที่เป็นตัวนำยิ่งยวดได้และที่ความดันปกติเช่นกัน น่าเสียดายที่อิเล็กโทรด 2 มิติที่ศึกษาก่อนหน้านี้ยังคงประสบกับปัญหาที่ต่ำมาก Tcs.

วัสดุชั้นเดียวแบบใหม่

ในผลงานล่าสุด จีจุน จ้าว และเพื่อนร่วมงานที่ ห้องปฏิบัติการสำคัญในการดัดแปลงวัสดุด้วยลำแสงเลเซอร์ ไอออน และอิเล็กตรอน ที่ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีแห่งต้าเหลียนประเทศจีนได้ศึกษาชั้นเดียวของอะลูมิเนียมไฮไดรด์ (AlH2) ซึ่งอิเลกตรอนประจุลบส่วนเกินที่มาจากอะลูมิเนียมถูกจำกัดอยู่ในจุดตัดของโครงอะลูมิเนียม วัสดุ 2 มิตินี้มีความเสถียรเนื่องจากมีปฏิสัมพันธ์ระหว่าง IAE และโครงตาข่าย

นักวิจัยพบว่าพันธะอะลูมิเนียม-ไฮโดรเจนเป็นไอออนิก และอะตอมไฮโดรเจนแต่ละอะตอมจะได้รับอิเล็กตรอนประมาณ 0.9 ตัวจากแต่ละอะตอมของอลูมิเนียม ซึ่งมีแนวโน้มที่จะสูญเสียอิเล็กตรอน XNUMX ตัวโดยใช้การวิเคราะห์ฟังก์ชันการแปลตำแหน่งอิเล็กตรอน อย่างไรก็ตาม เนื่องจาก H- ประจุลบไม่สามารถรองรับอิเล็กตรอนได้อีก อิเล็กตรอนที่เหลือจากอะลูมิเนียมจะจบลงที่จุดตัดของโครงตาข่าย ส่งผลให้เกิดสถานะอิเล็กไตรด์เป็นศูนย์ การคำนวณเพิ่มเติมยืนยันการมีอยู่ของ IAE และสถานะอิเล็กโทรดนี้

ต.สูงสุดc สำหรับอิเล็กโทรด 2D ใดๆ ที่รู้จัก

โดยไม่คาดคิด ทีมงานต้าเหลียนยังพบว่า IAE ที่มาจากอะลูมิเนียมนั้นไม่รับผิดชอบต่อความเป็นตัวนำยิ่งยวดของวัสดุ Zhao กล่าวว่าสิ่งนี้เป็น "จุดนวัตกรรมอีกจุดหนึ่งในงานของเรา" และ "ตรงกันข้ามกับสิ่งที่สังเกตได้จากอิเล็กโทรดตัวนำยิ่งยวดที่รู้จักกันก่อนหน้านี้มากที่สุด" แทนที่จะเป็น 1 ของอะตอมไฮโดรเจนs อิเล็กตรอนที่จับคู่อย่างแน่นหนากับการสั่นสะเทือนแบบโฟนิคของอลูมิเนียมซึ่งทำให้วัสดุกลายเป็นตัวนำยิ่งยวดแบบธรรมดา (“BCS”) โดยมี Tc ของ 38 K.

และนั่นไม่ใช่ทั้งหมด นักวิจัยยังพบว่าการใช้สายพันธุ์แกนสองแกน 5% กับ AlH2 สามารถเพิ่มสิ่งนี้ได้ Tc พวกเขากล่าวว่าเป็น 53 K เนื่องจากความเครียดแปลง IAE ให้เป็นอิเล็กตรอนเดินทาง ซึ่งส่งเสริมการก่อตัวของคู่อิเล็กตรอนคูเปอร์ที่เสถียรซึ่งจำเป็นสำหรับความเป็นตัวนำยิ่งยวด

“การศึกษาทางทฤษฎีของเราสร้างภาพที่รวมเป็นหนึ่งเกี่ยวกับความสัมพันธ์ระหว่าง IAE ความเสถียรแบบไดนามิกของโครงข่ายของโฮสต์ และความเป็นตัวนำยิ่งยวดใน AlH2 ชั้นเดียว” สมาชิกในทีม Xue Jiang กล่าว โลกฟิสิกส์. “สิ่งนี้นำเสนอก้าวสำคัญสู่ความเข้าใจที่ครอบคลุมเกี่ยวกับอิเล็กโทรดตัวนำยิ่งยวดแบบ 2 มิติ ซึ่งในทางกลับกัน จะเปิดช่องทางใหม่สู่คลาสใหม่ของเทคโนโลยีตัวนำยิ่งยวดสูงTc ตัวนำยิ่งยวดมิติต่ำ”

ขณะนี้ทีมงานมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีต้าเหลียนกำลังมุ่งเน้นไปที่วัสดุขนาดต่ำที่มีสภาพเป็นตัวนำยิ่งยวดหรือคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ที่แปลกใหม่อื่นๆ ที่กว้างขึ้น

รายละเอียดงานใน อักษรจีนฟิสิกส์.

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์