Исследователи из Университета Твенте доказали, что германен, двумерный материал, состоящий из атомов германия, ведет себя как топологический изолятор. Это первый двумерный топологический изолятор, состоящий из одного элемента. Он также обладает уникальной способностью переключаться между состояниями «включено» и «выключено», сравнимой с транзисторами. Это могло бы привести к созданию более энергоэффективной электроники.
Топологические изоляторы — это материалы, обладающие уникальным свойством изолировать электричество внутри себя и проводить электричество по краям. Проводящие кромки позволяют электрическому току протекать без потерь энергии. «На данный момент электронные устройства теряют много энергии в виде тепла, потому что дефекты в материале увеличивают сопротивление. В результате ваш мобильный телефон может сильно нагреваться», — объясняет исследователь UT Пантелис Бампулис. В то время как рассеяние на дефектах допускается в обычных материалах, на краях двумерных топологических изоляторов рассеяние электронов на дефектах запрещено из-за уникального механизма топологической защиты. Следовательно, электрический ток в двумерных топологических изоляторах протекает без рассеивания энергии. Это делает их более энергоэффективными, чем современные электронные материалы.
Германен является таким двумерным топологическим изолятором. «Современные топологические изоляторы состоят из сложных структур из различных типов элементов. Германен уникален тем, что он сделан всего из одного элемента», — объясняет Бамбулис. Чтобы создать этот захватывающий материал, исследователи расплавили германий вместе с платиной. Когда смесь остыла, крошечный слой атомов германия расположился в виде сотовой решетки поверх германиево-платинового сплава. Этот двумерный слой атомов называется германеном.
Исследователи также обнаружили, что проводящие свойства материала можно «отключить», приложив электрическое поле. Это свойство уникально для топологического изолятора. «Возможность переключения между состояниями «включено» и «выключено» открывает перед germanene захватывающие возможности применения», — говорит Бампулис. Это открывает путь для проектирования топологических полевых транзисторов. Эти транзисторы могли бы заменить традиционные транзисторы в электронных устройствах. В результате электроника больше не нагревается.
The research is published in the journal Physical Review Letters.
Фото: (a) Schematic of the QSH effect in the buckled honeycomb of germanene (the bottom image is a side view). (b) STM image of few-layer germanene on Ge2Pt(101), the number of layers is indicated. Inset: cartoon of the system. (c) Large-scale STM image of the honeycomb lattice of the first decoupled germanene layer, with a close-up view in the inset. (d) DFT calculations of the band structure of freestanding germanene with SOC. (e) Close-up of (d) around the K point to show the SOC gap of germanene. (f) dI(V)/dV spectra recorded at the bulk and edge of germanene, indicated with black and red dots in the topography shown in the inset. (g) (Bottom) adI(V)/dV line spectroscopy recorded as a function of distance across the germanene edge [indicated with the white solid line in the topography in panel (f)]. (Top) The topography cross section (blue) and dI/dV cross section at EF (red) of the line spectroscopy (bottom). Credit: Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.196401 / (а) Схема эффекта QSH в изогнутых пчелиных сотах германена (нижнее изображение — вид сбоку). (б) STM-изображение многослойного германена на Ge2Pt(101), указано количество слоев. Вставка: карикатура на систему. (c) Крупномасштабное STM-изображение ячеистой решетки первого несвязанного слоя германена с крупным планом на вставке. (d) расчеты DFT зонной структуры отдельно стоящего германена с помощью SOC. (e) Крупный план (d) вокруг точки K, чтобы показать SOC-разрыв германена. (f) Спектры dI(V)/dV, записанные в объеме и на краю германена, обозначенные черными и красными точками на топографии, показанной на вставке. (g) (Внизу) Линейчатая спектроскопия adI(V)/dV, записанная в зависимости от расстояния по краю германена [обозначено белой сплошной линией в топографии на панели (f)]. (Вверху) Поперечное сечение топографии (синее) и поперечное сечение dI/dV при EF (красное) линейной спектроскопии (внизу). Источник: Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.196401
More information: Pantelis Bampoulis et al, Quantum Spin Hall States and Topological Phase Transition in Germanene, Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.196401
Journal information: Physical Review Letters