給二維電子安裝交通燈?

中國新聞網·遼寧 2019年06月10日 15:04

  “橫看成嶺側成峰”,大文豪蘇東坡用這句詩描述了廬山景觀的各向異性。近期,來自中科院金屬研究所的研究團隊與國內外合作者發現,在二維世界里,電子在晶格中的傳輸也可以用類似語言描述。不過,這里“遠近高低各不同”的不是山水風景,而是導電特性,也即導電特性沿著不同方向表現出差異。

  研究團隊將最小厚度達4.8納米(6層)的層狀材料碲化鎵(GaTe)置于兩層10納米左右厚度的氮化硼(h-BN)之中,達到對碲化鎵的封裝保護。室溫下,少數層GaTe的電導率沿著不同方向呈近似正弦振蕩的周期性變化,表現出與SnSe、GeP相似的隨著方向變化的各向異性電阻率(兩差別最大的電阻率比值在10以內)。有趣的是,通過施加垂直電場,GaTe的電導率各向異性的比值能夠從10倍飆升至5000倍,遠超目前報道的具有面內電學各向異性的其他體系。

  也就是說,電子沿著二維碲化鎵不同晶格方向的傳輸能力,能夠在電場的調控下達到三個數量級的差別。例如,沿著x方向,在施加一定外電場時電子“聽話地”通過;撤掉外電場后,電子則“老實地”不通過。外電場起到了二維電子交通燈的作用。

  團隊通過第一性原理計算和量子輸運特性模擬計算表明,載流子有效質量和電聲耦合形變勢的差異性可能是GaTe中這種巨各向異性電導率的原因。基于上述發現,研究團隊進一步構建了全范德華組裝的各向異性二維碲化鎵浮柵存儲器件,并演示了該器件中優異的存儲器性能:通過一次門電壓擦寫,在該浮柵操控的原型存儲器件中可同時實現x和y方向(兩者方向垂直)兩組信息存儲。從Sci-Fi(科幻)角度來描述的話,就是有那么一種可能,各向異性存儲器中一次性寫入的數據可以沿一個方向讀取是一本小說,沿另一個方向讀取則是一部電影(圖1)。

圖1. 碲化鎵二維各向異性浮柵存儲器想象圖。

  二維極限下碲化鎵納米電子器件展示出了門電壓可調的、面內巨各向異性電阻效應(Giant Anisotropic Resistance)[1],為實現新型的邏輯運算及存儲單元提供了新思路,發展前景廣闊。同時,碲化鎵也還可能有更多待發現的物理。“我們正在挖掘該體系一些有趣的低溫物理特性”,該研究團隊表示。

  [1] Gate tunable giant anisotropic resistance in ultra-thin GaTe”, Nat. Commun., 10, 2302 (2019)。

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