“橫看成嶺側成峰”,蘇東坡用這句詩來描述廬山景觀的各向異性。中國科學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,而是導電特性沿著不同方向表現出差異。相關研究成果近日在線發表于《自然—通訊》。
研究人員將最小厚度4.8納米的層狀材料碲化鎵置于兩層10納米左右厚度的氮化硼之中,以對碲化鎵封裝保護。室溫下,少數層碲化鎵的電導率沿著不同方向呈近似正弦振蕩的周期性變化,表現出與硒化錫、磷化鍺相似的隨方向變化的各向異性電阻率(兩個差別最大的電阻率比值在10以內)。通過施加垂直電場,碲化鎵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。
載流子有效質量和電聲耦合形變勢的差異性,可能是碲化鎵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,通過一次門電壓擦寫,在該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。從科幻角度描述,這意味著存在一種可能,在各向異性存儲器中一次性寫入的數據沿一個方向讀取可能是一本小說,沿另一個方向讀取則可能是一部電影。
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