科学者たちは、高品質の薄膜導体の成長において一連のマイルストーンを達成し、新しい研究でこの材料が将来のウェアラブルエレクトロニクスやその他の小型アプリケーションの有望な候補プラットフォームであることを示唆しています。

オハイオ州立大学、陸軍研究所、マサチューセッツ工科大学の研究者は、この材料が、電流の通過しやすさを表す電子移動度の指標として、同様に製造された膜の中で最高であると判断しました。

表面上の電子の動きへの干渉を軽減するために欠陥密度が低いことと相まって、この材料は、すべての電子が渋滞することなく目的地に簡単に到達できる、小さな空の高速道路のようなものです。

「私たちはこの高速道路を走る車が何をするのかを再定義しました。それは、道路上の他のものに邪魔されずに非常に速く走ることができる車のようなものです」と、研究の最初の著者で陸軍研究所の物理学者であるパトリック・テイラー氏は述べた。

「将来の世代のエレクトロニクスでは、低消費電力であるため、この種の技術が使用されるでしょう」とテイラー氏は語った。「陸軍はバッテリーを消耗するものを兵士に与えたくないため、低消費電力に興味を持っています。一方、シリコンが終わりを迎えているため、商業部門はシリコンのその後に何が起こるかを考えてこの種の技術に注目しています。」その道の先には何かが続くはずだ。」

研究チームが報告したのは、所見で今日の材料の物理学。共同主著者のブランディ・ウーテンは最近博士号を取得した。

オハイオ州立大学で材料科学と工学を卒業し、現在は機械工学の研究技術者として働いています。航空宇宙工学は、材料の徹底したテストが新たなマイルストーンを生み出したと指摘しました。研究者らはとらえどころのない振動を検出することができ、自然界のフィルムとは異なり、元の状態のフィルムにはほとんど飛散がないことが確認されました。

「当然のことながら、これらの材料は薄膜の成長という点では最高の品質ではありませんが、デバイスを製造するには薄膜が必要です」とウーテン氏は語った。「これは、これらの材料を薄膜の形でデバイスに入れるのに十分な品質のものにすることができることを示す素晴らしい論文です。これは、これらの材料をさらに機能させるための足がかりです。」

さらに多くのことを行うには、フィルムの熱電機能を利用し、拡張することが含まれる可能性があります。博士号の取得を目指している間、テイラー氏の研究室で 2 つの夏の間インターンをしていたウーテン氏は、この研究のために薄膜の熱特性を測定するための高感度のテストを監督し、チームはすでに、次のことに基づいて薄膜の新しいバージョンの開発に取り組み始めています。彼女は見つけた。

軍事用途や商業用途は何年も先になるが、これらのフィルムはエネルギー消費が非常に少ないため、現在小型エレクトロニクス用に製造されている超薄型チップと統合できる可能性がある。潜在的な用途には、コンピュータの次世代磁気メモリの基本構成要素として機能したり、ロボットやドローン、さらには重装備や防弾チョッキを着ている兵士を涼しく保つウェアラブル デバイスに電力を供給するエネルギーを生成したりすることが含まれます。

厚さ90ナノメートルから150ナノメートルのこの薄膜は、ビスマス、テルル、硫黄からなる鉱物である三成分テトラジマイトを精製したものです。約 20 年間、科学者たちはテトラディマイト膜の完成に焦点を当ててきました。トポロジカル絶縁体: 含まれる材料電流表面上の流れが内部で絶縁体として機能し、表面の流れの散逸を軽減します。この表面伝導にはスピン特性もあり、非常に低レベルの電力を使用するスピントロニクスデバイスへの扉が開かれる可能性があります。

これらの特性を達成するために、テイラー氏は分子線エピタキシー (MBE) と呼ばれる技術を使用して薄膜を構築しました。テトラジマイトと同じ結晶構造から始めますが、他の元素を置き換えて、別々の伝導機構を特徴とする 2 つの異なる組成を考え出しました。

この論文の共同筆頭著者であるジョセフ・ヒアマンズは、最高の映画を生み出すための要素の選択をガイドしてくれました。機械工学および航空宇宙工学の教授、材料科学オハイオ州立大学で工学と物理学を専攻したヘレマンズは、材料を構成する際に平衡を目指すようテイラーにアドバイスしましたが、これは MBE プロセスで作られたフィルムの典型的な特性ではありません。

「それが彼にとって導きの光だった」とテイラーさんは語った。「私たちはより平衡状態をターゲットにしようと試みましたが、それが功を奏しました。そのため、私たちが入手した材料は異常に高い可動性を持っています。」

高い電子移動度は、天然のテトラディマイトの内部に存在する電荷を帯びた移動粒子の濃度を減らす方法で膜を成長させることによって可能になる、とウーテン氏は述べた。

「キャリア濃度を下げることで、表面上の本当に強くて堅牢な状態を利用できるようになります」と彼女は言う。「トポロジカル絶縁体では、電流は表面上で一方向に進むことができますが、他の方向には進むことができません。後方散乱することはなく、それが絶縁体をより堅牢にするのです。」

この研究は、これらのフィルムを作成するだけでなく、その特性を研究室でテストできるようになった進歩を表しています。以前は、研究室での研究用に作成された材料ははるかに大きかったです。

「これを使うと分子線エピタキシーこの技術を活用すれば、いつかあなたのコンピュータや携帯電話に組み込まれる可能性のあるものへの道筋を思い描くことができるようになりました」とテイラー氏は語った。

詳細情報:Patrick J. Taylor 他、高移動度を備えた三元テトラジマイト フィルムの磁気輸送特性、今日の材料の物理学（2024年）。DOI: 10.1016/j.mtphys.2024.101486