Um zu beschreiben, wie Materie auf infinitesimalen Skalen funktioniert, bezeichnen Forscher kollektives Verhalten mit einzelnen Konzepten – etwa indem sie eine Gruppe synchron fliegender Vögel als „Schwarm“ oder „Rauschen“ bezeichnen. Die als Quasiteilchen bekannten Phänomene, auf die sich diese Konzepte beziehen, könnten der Schlüssel zu Technologien der nächsten Generation sein.
In einer aktuellen Studie veröffentlicht in Wissenschaftliche FortschritteEin Forscherteam unter der Leitung von Shengxi Huang, außerordentlicher Professor für Elektro- und Computertechnik sowie Materialwissenschaft und Nanotechnik an der Rice University, beschreibt, wie sich eine solche Art von Quasiteilchen – Polaronen – in Telluren verhält, einem Nanomaterial, das erstmals 2017 synthetisiert wurde besteht aus winzigen Ketten von Telluratomen und verfügt über nützliche Eigenschaften für Sensorik, elektronische, optische und Energiegeräte.
„Telluren zeigt dramatische Veränderungen in seinen elektronischen und optischen Eigenschaften, wenn seine Dicke im Vergleich zu seiner Massenform auf wenige Nanometer reduziert wird“, sagte Kunyan Zhang, ein Rice-Doktorand und Erstautor der Studie. „Konkret verändern diese Veränderungen die Art und Weise, wie Elektrizität fließt und wie das Material vibriert, was wir auf die Umwandlung von Polaronen zurückführen, wenn Telluren dünner wird.“
Ein Polaron entsteht, wenn ladungstragende Teilchen wie Elektronen mit Schwingungen im Atom- oder Molekülgitter eines Materials interagieren. Stellen Sie sich ein Telefon vor, das während eines Vortrags in einem überfüllten Hörsaal klingelt: So wie das Publikum seinen Blick gemeinsam auf die Quelle der Unterbrechung richtet, passen die Gitterschwingungen ihre Ausrichtung als Reaktion auf Ladungsträger an und organisieren sich um eine Aura der Polarisation – daher der Name des Quasiteilchens.
Abhängig von der Dicke der Tellurenschicht kann die Stärke dieser Reaktion – also die Spannweite der Aura – erheblich variieren. Das Verständnis dieses Polaronenübergangs ist wichtig, da es zeigt, wie grundlegende Wechselwirkungen zwischen Elektronen und Schwingungen das Verhalten von Materialien beeinflussen können, insbesondere in niedrigen Dimensionen.
„Dieses Wissen könnte in die Entwicklung fortschrittlicher Technologien wie effizienterer elektronischer Geräte oder neuartiger Sensoren einfließen und uns helfen, die Physik von Materialien auf kleinsten Skalen zu verstehen“, sagte Huang, korrespondierender Autor des Papiers.
Die Forscher stellten die Hypothese auf, dass beim Übergang von Telluren von der Masse zur Dicke im Nanometerbereich die Polaronen von großen, ausgedehnten Elektronen-Vibrations-Wechselwirkungen zu kleineren, lokalisierten Wechselwirkungen wechseln. Berechnungen und experimentelle Messungen bestätigten dieses Szenario.
„Wir analysierten, wie sich die Schwingungsfrequenzen und Linienbreiten mit der Dicke veränderten, und korrelierten diese mit Änderungen der elektrischen Transporteigenschaften, ergänzt durch die strukturellen Verzerrungen, die bei der Röntgenabsorptionsspektroskopie beobachtet wurden“, sagte Zhang. „Darüber hinaus haben wir eine Feldtheorie entwickelt, um die Auswirkungen einer verstärkten Elektronen-Schwingungs-Kopplung in dünneren Schichten zu erklären.“
Der umfassende Ansatz des Teams lieferte tiefere Einblicke in die dickenabhängige Polarondynamik in Telluren als bisher verfügbar. Möglich wurde dies sowohl durch Verbesserungen der eingesetzten fortschrittlichen Forschungstechniken als auch durch die jüngste Entwicklung hochwertiger Tellurenproben.
„Unsere Ergebnisse verdeutlichen, wie Polaronen den elektrischen Transport und die optischen Eigenschaften in Telluren beeinflussen, wenn es dünner wird“, sagte Zhang. „In dünneren Schichten lokalisieren Polaronen Ladungsträger, was zu einer verringerten Ladungsträgermobilität führt. Dieses Phänomen ist entscheidend für die Entwicklung moderner Geräte, die immer kleiner werden und für ihre Funktionalität auf dünnere Materialien angewiesen sind.“
Einerseits kann eine verringerte Ladungsmobilität die Effizienz elektronischer Komponenten einschränken, insbesondere bei Anwendungen, die eine hohe Leitfähigkeit erfordern, wie z. B. Stromübertragungsleitungen oder Hochleistungs-Rechenhardware. Andererseits könnte dieser Lokalisierungseffekt das Design und die Entwicklung hochempfindlicher Sensoren sowie Phasenwechsel-, ferroelektrischer, thermoelektrischer und bestimmter Quantengeräte leiten.
„Unsere Studie liefert eine Grundlage für technische Materialien wie Telluren, um diese Kompromisse auszugleichen“, sagte Huang. „Es bietet wertvolle Einblicke in die Entwicklung dünnerer, effizienterer Geräte und geht gleichzeitig auf die Herausforderungen ein, die sich aus dem einzigartigen Verhalten niedrigdimensionaler Materialien ergeben, was für die Entwicklung von Elektronik und Sensoren der nächsten Generation von entscheidender Bedeutung ist.“
Die Forschung wurde von der National Science Foundation (2246564, 1943895, 2230400, 2329111, 2118448, 2046936), dem Air Force Office of Scientific Research (FA9550-22-1-0408, FA2386-21-1-4064) und der Welch Stiftung (C-2144) und die US-Energieministerium (DE-SC0020148, DE-AC02-06CH11357, DE-AC02-05CH11231, BES-ERCAP0024568, DE-AC05-00OR22725). Der hierin enthaltene Inhalt liegt ausschließlich in der Verantwortung der Autoren und gibt nicht unbedingt die offiziellen Ansichten der Förderorganisationen und -institutionen wieder.
