Onderzoekers van de Universiteit Twente toonden aan dat germaneen, een tweedimensionaal materiaal gemaakt van germaniumatomen, zich gedraagt als een topologische isolator. Het is de eerste 2D-topologische isolator die bestaat uit één type element. Het heeft ook het unieke vermogen om te schakelen tussen “aan” en “uit” toestanden, vergelijkbaar met een transistor. Dit kan leiden tot energie-efficiëntere elektronica.
Topologische isolatoren zijn materialen met de unieke eigenschap dat ze alleen langs de randen van het materiaal stroom geleiden. Langs deze geleidende randen stroomt elektriciteit zonder energieverlies. “Momenteel verliezen elektronische apparaten veel energie in de vorm van warmte, omdat defecten in het materiaal de weerstand verhogen. Daardoor wordt je mobiele telefoon na veel gebruik onaangenaam warm”, legt UT-onderzoeker Pantelis Bampoulis uit. Dit komt doordat verstrooiing van elektronen aan defecten in normale materialen is toegestaan. Aan de randen van 2D topologische isolatoren is de verstrooiing van elektronen bij defecten verboden vanwege het unieke topologische beschermingsmechanisme. Daarom loopt de elektrische stroom in 2D topologische isolatoren zonder energieverlies. Dat maakt ze energie-efficiënter dan de huidige elektronische materialen.
Link magazine april 2023, Thema: Parijs halen: De energietransitie. Vraag een exemplaar op bij de uitgever van Link magazine: uitgever@linkmagazine.nl
Germaneen is zo’n 2D topologische isolator. “De huidige topologische isolatoren bestaan uit complexe structuren van verschillende soorten elementen. Germaneen is uniek; het bestaat uit slechts één type element”, legt Bampoulis uit. Om dit bijzondere materiaal te maken, smolten de onderzoekers germanium samen met platina. Als het mengsel afkoelt, vormt zich bovenop de germanium-platina-legering een uiterst dun laagje germaniumatomen in een honingraatraster. Deze 2D-laag van atomen is germaneen.
Het lukte de onderzoekers ook de geleidende eigenschappen van het materiaal ‘uit te schakelen’ met een elektrisch veld. Het is de eerste topologische isolator waarbij dat mogelijk is. “De mogelijkheid om te schakelen tussen ‘aan’ en ‘uit’ maakt germaneen interessant”, zegt Bampoulis. Dit opent de deur naar het ontwerpen van zogenaamde topologische veldeffecttransistoren. Deze transistoren kunnen traditionele transistoren in elektronische apparaten vervangen. Met als resultaat elektronica die niet langer warm wordt.
Dr. Pantelis Bampoulis is universitair docent in de onderzoeksgroep Physics of Interfaces and Nanomaterials (PIN; Faculteit TNW / MESA+). Hij is ook een van de uitgelichte wetenschappers van de UT. Samen met promovendi Carolien Castenmiller en
publiceerde hij onlangs zijn bevindingen in een artikel getiteld ‘Quantum Spin Hall States and Topological Phase Transition in Germanene’ in het wetenschappelijke tijdschrift Physical Reviews Letters
