Thickness-Controlled Ferroelectric-to-Ionic Transport in CuCrP2S6 at Room Temperature

In de wereld van moderne elektronica worden materialen vaak gekozen vanwege één specifieke gave. Sommigen zijn uitstekend in het geleiden van elektriciteit, terwijl anderen meesters zijn in het opslaan van informatie door een elektrische lading in een vaste richting vast te houden, een eigenschap die bekend staat als ferroelektriciteit. Een derde groep materialen laat ionen, die kleine geladen atomen zijn, vrij door hun structuur bewegen, een gedrag dat lijkt op hoe neuronen in het menselijk brein vuren. Decennialang hebben wetenschappers gezocht naar een materiaal dat al deze drie dingen tegelijk kan doen, in de hoop apparaten te bouwen die kleiner, sneller en in staat zijn om te leren zoals een biologisch systeem. De uitdaging is geweest dat deze eigenschappen vaak met elkaar in strijd zijn; de beweging van ionen die breinachtig gedrag mogelijk maakt, kan juist de stabiele elektrische ladingen die nodig zijn voor geheugen verstoren. Het vinden van een materiaal waarin deze tegenovergestelde krachten samenbestaan en samenwerken, in plaats van elkaar op te heffen, blijft een belangrijke hindernis in de zoektocht naar de volgende generatie technologie.

Onderzoekers aan de Morgan State University hebben een veelbelovende kandidaat gevonden in een kristal genaamd koperchroomfosforsulfide. Dit materiaal behoort tot een familie van stoffen die bekend staan als van der Waals-verbindingen, die zijn opgebouwd als stapels papier waarbij de lagen door zwakke krachten bij elkaar worden gehouden, waardoor ze in ongelooflijk dunne vellen kunnen worden gespleten. De onderzoekers ontdekten dat het gedrag van dit materiaal drastisch verandert afhankelijk van hoe dik het vel is. Wanneer het kristal wordt gesneden in een zeer dun vel, met een dikte van minder dan veertig nanometer, fungeert het als een robuust geheugentoestel dat zijn elektrische lading stevig vasthoudt. Echter, naarmate het kristal dikker wordt, vervaagt het vermogen om die lading vast te houden en schakelt het materiaal over naar een andere modus waarbij elektriciteit voornamelijk stroomt door de beweging van koperionen. Deze dikte-gestuurde schakeling tussen twee verschillende manieren van geleiding biedt een nieuwe manier om materialen af te stemmen op specifieke taken, van geheugenopslag tot kunstmatige synapsen.

Het team begon met het onderzoeken van het vermogen van het kristal om zijn elektrische polarisatie te veranderen, wat de richting is waarin de interne ladingen wijzen. Met behulp van een gespecialiseerde microscoop die de minuscule krachten op een oppervlak kan voelen, testten ze vellen van variërende diktes. Ze ontdekten dat in de dunste monsters patronen van elektrische lading konden worden geschreven die urenlang stabiel bleven, een kenmerk van een goed geheugenmateriaal. Deze dunne vellen konden betrouwbaar heen en weer worden omgeklapt, vergelijkbaar met een lichtschakelaar. Maar naarmate de vellen dikker werden, begon dit vermogen om een stabiel elektrisch patroon vast te houden te verzwakken. In de dikste monsters zou de elektrische lading snel vervagen en stopte het materiaal met zich gedragen als een geheugentoestel. In plaats daarvan werd de elektrische stroom in deze dikke monsters gedreven door koperionen die fysiek door het kristal bewegen om geleidende paden te vormen, een proces dat een ander soort elektrisch signaal creëert dat bekend staat als memristief gedrag.

Om te begrijpen wat er binnenin het materiaal gebeurde, maten de onderzoekers het elektrische potentiaal op het oppervlak van de vellen. Ze observeerden dat het oppervlakspotentiaal op een voorspelbare manier veranderde naarmate de dikte varieerde. In de dunne, geheugenachtige vellen bleef het oppervlakspotentiaal stabiel nadat het was beschreven, wat bevestigde dat de elektrische ladingen op hun plaats waren vergrendeld. In de dikkere vellen verdween deze stabiliteit en ontspande het oppervlakspotentiaal snel, wat erop wees dat de interne ladingen niet vaststonden maar in plaats daarvan rondverschuiven. Deze verschuiving suggereerde dat in de dikkere monsters de beweging van koperionen de dominante kracht was, die de stabiele elektrische orde in de dunnere versies overstemde. De onderzoekers merkten ook op dat de kristalstructuur zelf niet fysiek veranderde tijdens deze tests, wat de mogelijkheid uitsloot dat het materiaal simpelweg afbrak of vervormde; de veranderingen waren puur elektrisch en ionisch.

De studie verkende verder hoe licht deze processen beïnvloedt. Wanneer de onderzoekers een blauwe laser op de kristallen schijnen, ontdekten ze dat het licht het makkelijker maakte voor elektriciteit om te stromen in zowel dunne als dikke monsters, maar om verschillende redenen. In de dikke vellen hielp het licht de koperionen zelfs nog sneller te bewegen, waardoor de vorming van geleidende paden efficiënter werd en de spanning die nodig was om de stroom aan te zetten, werd verlaagd. Dit creëerde een sterk, lichtgevoelig schakeleffect. In de dunne vellen zorgde het licht ook voor een toename van de stroom, maar het materiaal behield zijn stabiele geheugenachtige gedrag. Het licht versterkte simpelweg de bestaande interactie tussen de vaste elektrische ladingen en de bewegende ionen, in plaats van de ionen volledig de overhand te laten nemen. Dit suggereat dat de dunne vellen kunnen functioneren als een gecombineerd systeem waar licht, geheugen en ionbeweging samenwerken, terwijl de dikke vellen meer werken als een door licht gestuurde schakelaar aangedreven door ionbeweging.

Ten slotte bouwde het team daadwerkelijke elektronische apparaten met behulp van de dikkere kristallen om te zien of deze microscopische gedragingen standhouden in een echte werkomgeving. Ze maakten eenvoudige circuits met metalen contacten aan beide zijden van een kristalvlok en brachten spanning aan om te zien hoe de stroom vloog. De resultaten kwamen overeen met hun microscopische waarnemingen: de stroom nam langzaam toe naarmate de koperionen bewogen, en het gedrag veranderde afhankelijk van hoe snel de spanning werd toegepast. Wanneer ze een licht aan- en uitzetten, reageerde de stroom onmiddellijk, waarbij deze steeg wanneer het licht het materiaal raakte en daalde wanneer het werd verwijderd. Dit bevestigde dat de complexe dans van ionen en ladingen die onder de microscoop werd waargenomen, direct vertaalt naar de functie van een werkend apparaat. Het onderzoek toont aan dat door simpelweg de dikte van het materiaal aan te passen, wetenschappers kunnen kiezen of het kristal fungeert als een stabiel geheugenelement of als een dynamische, door ionen aangedreven schakelaar, en dat licht kan worden gebruikt om beide modi te controleren. Deze ontdekking biedt een duidelijk pad voor het ontwerpen van toekomstige elektronische componenten die hun functie kunnen aanpassen op basis van hun fysieke afmetingen, wat de deur opent naar meer veelzijdige en efficiënte technologieën.