Diode et par atomer tyk viser overraskende kvanteeffekt

Et kvantemekanisk transportfænomen demonstreret for første gang i syntetisk, atom-tyndt lagdelt materiale ved stuetemperatur kan føre til nye nanoelektroniske kredsløb og enheder, ifølge forskere ved Penn State og tre andre amerikanske og internationale universiteter.

Kvantetransporteffekten, kaldet negativ differentialresistens (NDR), blev observeret, da en spænding blev påført strukturer lavet af et atom-tykke lag af flere lagmaterialer kendt som van der Waals-materialer. De tredelte strukturer består af en base af grafen efterfulgt af atomlag af enten molybdendisulfid (MoS2), molybdæn diselenid (MoSe2), eller wolframdiselenid (WSe2).

NDR er et fænomen, hvor elektronernes bølgetype tillader dem at tunnelere gennem ethvert materiale med varierende modstand. NDR's potentiale ligger i lavspændingselektroniske kredsløb, der kan drives med høj frekvens.

"Teori antyder, at stabling af todimensionale lag af forskellige materialer det ene oven på det andet kan føre til nye materialer med nye fænomener, "sagde Joshua Robinson, en Penn State adjunkt i materialevidenskab og teknik, hvis studerende, Yu-Chuan Lin, er første forfatter på et papir, der vises online i dag, 19. juni kl. i journalen Naturkommunikation . Papiret har titlen "Atomically Thin Resonant Tunnel Diodes Built from Synthetic van der Waals Heterostructures."

At opnå NDR i en resonant tunneldiode ved stuetemperatur kræver næsten perfekte grænseflader, som er mulige ved hjælp af direkte vækstteknikker, i dette tilfælde oxidfordampning af molybdænoxid i nærvær af svovldamp for at danne MoS2 -laget, og metalorganisk kemisk dampaflejring til fremstilling af WSe2 og MoSe2.

"Det er første gang, at disse lodrette heterostrukturer er vokset sådan, "Robinson sagde." Folk bruger typisk eksfolierede materialer, som de stabler, men det har været ekstremt svært at se dette fænomen med eksfolierede lag, fordi grænsefladerne ikke er rene. Med direkte vækst får vi uberørte grænseflader, hvor vi ser dette fænomen hver gang. "

Det, der fangede Lin og Robinsons opmærksomhed, var en skarp top og dal i deres elektriske målinger, hvor der normalt ville være en regelmæssig opadgående hældning. Ethvert uventet fænomen, hvis det kan gentages, er af interesse, Sagde Robinson. For at forklare deres resultater, de rådførte sig med en ekspert i elektroniske nanoskalaenheder, Suman Datta, der fortalte dem, at de så en 2D -version af en resonant tunneldiode, en kvantemekanisk enhed, der fungerer ved lav effekt.

"Resonant tunneldioder er vigtige kredsløbskomponenter, "sagde Datta, en medforfatter på papiret og Penn State professor i elektroteknik. "Resonant tunneldioder med NDR kan bruges til at bygge højfrekvente oscillatorer. Det betyder, at vi har bygget verdens tyndeste resonant tunneldiode, og den fungerer ved stuetemperatur. "

Medforfatter Robert Wallace fra University of Texas i Dallas sagde, at dette samarbejdsarbejde repræsenterer en vigtig præstation i realiseringen af ​​nyttige 2D -integrerede kredsløb.

"Evnen til at observere resonansadfærden ved stuetemperatur med syntetiserede 2D -materialer frem for eksfolieret, stablet flager er spændende, da det peger mod mulighederne for skalerbare enhedsfremstillingsmetoder, der er mere kompatible med industrielle interesser. Den udfordring, vi nu skal løse, omfatter forbedring af de dyrkede 2D -materialer yderligere og opnåelse af bedre ydeevne til fremtidige enhedsapplikationer, "Sagde Wallace.

UT-Dallas-medforfattere leverede detaljerede materialer til atomopløsningsmaterialer til resonans af tunneldioder, der blev opdaget i Penn State.

Datta krediterer en teoretisk forståelse af elektrontransporten i 2D-lagdelte materialer til sin postdoktorforsker Ram Krishna Ghosh, hvis beregninger viser tæt overensstemmelse med de eksperimentelle resultater. Datta advarede om, at den nye resonant tunneldiode kun er et element i et kredsløb, og det næste trin vil kræve at bygge og integrere de andre kredsløbselementer, såsom transistorer, i 2D.

"Besked om at tage med hjem, " han sagde, "er, at dette giver os en nugget, som vi som enheds- og kredsløbsmennesker kan begynde at lege med og bygge nyttige kredsløb til 2D -elektronik."