Lösen des Rätsels der 2D-Unordnung

Wenn Spieler versuchen, Wortspiele zu lösen, versuchen sie, Hinweise zu sammeln, um die Lösung zu finden. Sicher, es hilft, ein starkes Vokabular zu haben, aber die richtigen Antworten auf diese Rätsel zu finden, hat ebenso viel mit Logik und Strategie zu tun, wie es darum geht, ein Wortschmied zu sein.

Unter Verwendung eines überraschend vergleichbaren Prozesses hat ein interdisziplinäres Team von Forschern der Northwestern Engineering eine Methode zusammengestellt, um zu bestimmen, wie verschiedene 2D-Materialien auf Unordnung reagieren, und dabei einige Materialien getestet, die möglicherweise Silizium in neuen Transistoren und Sensoren ersetzen könnten.

„Die Analysemethode wird zu einem besseren Verständnis von Unordnungspotentialen in 2D-Materialien führen, um schnellere Transistoren sowie bessere Gassensoren herzustellen, die verschiedene Gase leichter unterscheiden können“, sagte Matthew Grayson, Professor für Elektrotechnik und Computertechnik am McCormick School of Engineering und einer der Autoren der Studie.

ärgerten sich in dem am 16. Juni in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel „Field-effect Conductivity Scaling for Two-dimensional Materials with Tunable Impurity Density“. 2D-Materialienentwickelten die Forscher eine Methode, um den Fingerabdruck der benachbarten Störung zu bestimmen, wie er von einem 2D-Material gesehen wird.

Vinayak Dravid, Abraham-Harris-Professor für Materialwissenschaften und -technik, und Mark Hersam, Walter-P.-Murphy-Professor für Materialwissenschaften und -technik, trugen ebenfalls zu den Bemühungen bei. Chulin Wang, ein Ph.D. Kandidat in Graysons Forschungsgruppe, war der Erstautor der Arbeit.

In der Wissenschaft bezieht sich Unordnung auf Unvollkommenheiten oder Ladungen in der Nähe, die den ansonsten geraden Weg eines Elektrons streuen könnten. 2D-Materialien wie Graphen sind besonders anfällig für Unordnung in der Nähe, da sie buchstäblich höchstens mehrere Atome dick sind

„Die Charakterisierung von Störungen ist von größter Bedeutung für das Verständnis und die Verbesserung der Leistung von 2D-Materialien“, sagte Grayson. „Dieses Papier zeigt, dass es eine universelle Kurve gibt, die als Fingerabdruck dieser Störung dient. Auch wenn unterschiedliche Dosen von Störungen scheinbar zu völlig unterschiedlichen Verhaltensweisen führen, stellen diese Verhaltensweisen alle einzelne Fäden eines Gesamtteppichs dar.“

Hier kommt die Ähnlichkeit zwischen der Wissenschaft und den Spielen, die Sie auf Ihrem Telefon oder Ihrer gedruckten Zeitung spielen.

Anhand von 2D-Materialproben, die von den Hersam- und Dravid-Gruppen entwickelt wurden, implementierten Grayson und sein Team eine neue Methode zur Messung elektrischer Leitfähigkeitskurven mit einem Kryostaten, einem Gerät, das Proben bei niedrigen Temperaturen für die mikroskopische Untersuchung aufbewahrt. Bei Raumtemperatur können sich die Ladungen, die eine Unordnung darstellen, frei verschieben, bis sie ein Gleichgewicht erreichen, aber wenn sie im Kryostat eingefroren sind, ist die Unordnung an Ort und Stelle eingefroren.

Jede einzelne Leitfähigkeitskurve gleicht einem Puzzleteil. Die Forscher verwendeten dann eine empirische Regel, um alle Kurven zusammenzusetzen, bis sie ein vollständiges Bild ergaben.

Klingt bekannt?

Sie verwendeten dann physikalische Argumente, um zu verstehen, warum diese Regel so gut funktioniert. Als Ergebnis lösten sie das Rätsel, wie jedes der untersuchten Materialien auf eine bestimmte Klasse von Unvollkommenheiten reagiert.

„Die beeindruckende Kontinuität dieses Bildes, als alle Puzzleteile vorhanden waren, inspirierte uns, tiefer in die Physik einzutauchen, um zu verstehen, was der zugrunde liegende Grund für dieses Verhalten sein muss“, sagte Grayson. „Die gleiche Mentalität, mit der die breite Öffentlichkeit ihr tägliches Wordle- oder Kreuzworträtsel löst, wird hier angewendet.“

Diese Ergebnisse haben auch Auswirkungen auf die 2D-Materialforschung, die sich weiter entwickelt.

„Anstatt einzelne Geräte aus den gleichen 2D-Materialien als eine Reihe von Puzzleteilen zu sehen, die jeweils unabhängig voneinander untersucht werden müssen, können Sie jetzt feststellen, wo ein bestimmtes Muster in das zuvor gelöste Puzzle passt“, sagte Grayson, „so dass jedes Individuum Stück wird sofort als Teil eines größeren Bildes erkannt.