Videnskab
 science >> Videnskab >  >> nanoteknologi

Hall-fejls afsløringer rejser forhåbninger om 2-D materialer

Scanning af elektronmikroskopbillede af en 2D Hall-enhed med fire par elektroder for at teste fire forskellige geometrier med en 2D InAs-prøve. Kredit:Adam Micolich

En af de første ting, folk gør, når de støder på et nyt materiale med potentielt interessante elektroniske egenskaber, er at måle Hall-spændingen. Aldrig har dette været mere sandt end med eksplosionen af ​​nye 2-D materialer, men det viser sig, at ofte, enheder lavet af 2-D-materialer beregnet til at tage Hall-spændingsmålinger har uhensigtsmæssig geometri. Dette er lige hvad Adam Micolich og hans team ved University of New South Wales fandt, da de begyndte at studere egenskaberne af 2-D III-V halvlederen InAs, og indså, at der var et misforhold, de skulle tage højde for, mellem det set-up, de havde, og det set-up, de sigtede efter. "Vi regnede med, at dette måtte være i litteraturen; vi kan ikke være de første, der ønsker at rette op på dette, men der var faktisk intet derude, " fortæller han til Phys.org.

Med ph.d. studerende Jakob Seidl og postdoc Jan Gluschke ivrige efter at bestemme, hvor meget den ikke-ideelle geometri af 2-D-enheder påvirker deres Hall-målinger, forskerne begyndte at modellere opsætningen og udføre en række omhyggelige eksperimenter på 2-D Hall-enheder med forskellige geometrier. Hvad de fandt var, at hindringer for at opnå den ideelle geometri for Hall-målinger ikke introducerede mindre unøjagtigheder; faktisk, målinger var generelt ude med en faktor to, og i nogle tilfælde, en hel størrelsesorden. "Og det interessante var, at i de fleste tilfælde, det betød, at folk undervurderer det, de værdsætter mest, som er materialernes mobilitet, " tilføjer Micolich. "Deres materialer er bedre, end de tror, ​​de er, de kan bare ikke se det, fordi deres opsætning ikke er ideel."

Problemet med 2-D

Hall-effekten refererer til den spænding, der opstår, når et magnetfelt påføres et materiale med en strøm, der løber gennem det, hvor alle tre er vinkelrette på hinanden. Denne Hall-spænding giver en fremragende indikation af tætheden af ​​elektroner i et materiale, som sammen med mobiliteten, give materialets samlede ledningsevne.

For Micolich, materialer med akavede morfologier til Hall-målinger er et gammelt problem. Gruppens arbejde stammer fra tidligere arbejde med III-V nanotråde, hvor problemet var at fastgøre elektroderne til at måle Hall-spændingen til en så smal enhed uden at komme i kontakt med hinanden og derefter måle den lille spænding, der resulterer over så små afstande. Til nanotråde, vanskeligheden ved faktisk at få nogen måling betyder, at videnskabsmænd har tyet til alle mulige ofte utilfredsstillende løsninger for at måle de elektroniske egenskaber. Imidlertid, Lars Samuelsons gruppe i Lund og Thomas Schapers gruppe i Julich demonstrerede de første eksperimenter for at opnå den nanoskala behændighed og følsomhed, der er nødvendig for Hall-målinger af nanotråde.

Systematiske Hall-målinger på 2D InAs med forskellige geometrier afslører unøjagtigheder, der fører til betydelige undervurderinger af deres nøgletal for fortjeneste, elektronmobilitet. Kredit:Adam Micolich

For omkring et år siden, Philippe Caroff og kolleger ved Australian National University fandt ud af, at de kunne justere skabelonen for at dyrke arrays af InAs, der ikke var i form af nanotråde, men med bredden strakt ind i 2-D "nanofiner." Her, Hall-målinger burde have været lidt mere ligetil, da Hall-spændingen blev genereret over en større afstand, fører til større værdier, der burde være nemmere at måle. Imidlertid, selvom det er muligt at tage Hall-målinger med 2-D materialer, den ideelle geometri er et rektangel længere end det er bredt med et par punktkontakter, der kun berører siderne af 2D-materialet. I eksperimenter, disse punktkontakter har en begrænset bredde, der kan være ret stor i forhold til enhedens længde. Ud over, en del af elektroden ender uundgåeligt med at overlappe toppen af ​​2-D-materialet, fordi de er så tynde. "Den lille smule metal på toppen betyder faktisk ret meget, " siger Micolich.

En anden idiosynkrasi ved at arbejde med 2D-materialer er problemerne med at gengive identiske morfologier, hvilket gør systematiske sammenligninger af effekten af ​​geometri særligt vanskelige. Her, Micolich og hans team havde fordelen af ​​at arbejde på nanofiner, der blev dyrket i partier af millioner af næsten identiske finner ad gangen. For yderligere at mindske virkningerne af enhedsvariation på resultaterne, de brugte så få finner som muligt og fastgjorde flere sæt elektroder med forskellige mellemrum, former og overlapninger for at sammenligne så meget som muligt.

Rettelser ved hånden

Ikke alene fremhæver arbejdet, at disse materialer kan yde bedre end tidligere antaget, men de giver tabeller over målingerne, så folk kan finde ud af, hvordan de korrigerer for manglerne ved deres egne enheder. De skitserede rettelser forventes at være gældende for alle materialer uanset deres specifikke egenskaber, da kun enhedens geometri påvirker målingerne.

Micolich antyder, at der sandsynligvis har været mange grupper gennem årene, der har indset, at deres enheder ikke passer til den ideelle geometri til Hall-målinger, og kan have været skuffet over ikke at finde noget i litteraturen, der påpeger, hvordan man korrigerer for effekten.

"Godt, " siger Micolich, "nu er der."

© 2020 Science X Network