Ultratynde halvledere er elektrisk forbundet med superledere for første gang

Uanset om det er i smartphones, fjernsyn eller bygningsteknologi, halvledere spiller en central rolle i elektronik og derfor i vores hverdag. I modsætning til metaller, det er muligt at justere deres elektriske ledningsevne ved at påføre en spænding og dermed slå strømstrømmen til og fra.

Med henblik på fremtidige anvendelser inden for elektronik og kvanteteknologi, forskere fokuserer på udviklingen af ​​nye komponenter, der består af et enkelt lag (monolag) af et halvledende materiale. Nogle naturligt forekommende materialer med halvledende egenskaber har monolag af denne art, stablet for at danne en tredimensionel krystal. I laboratoriet, forskere kan adskille disse lag - som ikke er tykkere end et enkelt molekyle - og bruge dem til at bygge elektroniske komponenter.

Nye egenskaber og fænomener

Disse ultratynde halvledere lover at levere unikke egenskaber, som ellers er meget svære at kontrollere, såsom brugen af ​​elektriske felter til at påvirke elektronernes magnetiske momenter. Ud over, komplekse kvantemekaniske fænomener finder sted i disse halvledende monolag, der kan have anvendelser inden for kvanteteknologi.

Forskere verden over undersøger, hvordan disse tynde halvledere kan stables for at danne nye syntetiske materialer, kendt som van der Waals heterostrukturer. Imidlertid, indtil nu, det er ikke lykkedes dem at kombinere et sådant monolag med superledende kontakter for at grave dybere ned i de nye materialers egenskaber og ejendommeligheder.

Superledende kontakter

Et team af fysikere, ledet af Dr. Andreas Baumgartner i forskningsgruppen af ​​professor Christian Schönenberger ved Swiss Nanoscience Institute og Institut for Fysik ved Basel Universitet, har nu for første gang monteret et monolag af halvlederen molybdændisulfid med superledende kontakter.

Grunden til, at denne kombination af halvleder og superleder er så interessant, er, at eksperterne forventer, at komponenter af denne art udviser nye egenskaber og fysiske fænomener. "I en superleder, elektronerne arrangerer sig i par, som partnere i en dans - med mærkelige og vidunderlige konsekvenser, såsom strømmen af ​​den elektriske strøm uden modstand, " forklarer Baumgartner, undersøgelsens projektleder. "I halvlederen molybdændisulfid, på den anden side, elektronerne udfører en helt anden dans, en mærkelig solorutine, der også inkorporerer deres magnetiske øjeblikke. Nu vil vi gerne finde ud af, hvilke nye og eksotiske danse elektronerne er enige om, hvis vi kombinerer disse materialer."

Velegnet til brug som platform

De elektriske målinger ved de lave temperaturer, der kræves for superledning – lige over det absolutte nulpunkt (-273,15 grader Celsius) – viser tydeligt virkningerne forårsaget af superlederen; for eksempel, ved visse energier, enkelte elektroner er ikke længere tilladt. I øvrigt, forskerne fandt tegn på en stærk kobling mellem halvlederlaget og superlederen.

"Stærk kobling er et nøgleelement i de nye og spændende fysiske fænomener, som vi forventer at se i sådanne van der Waals heterostrukturer, men var aldrig i stand til at demonstrere, " siger Mehdi Ramezani, hovedforfatter af undersøgelsen.

"Og, selvfølgelig, vi håber altid på nye applikationer inden for elektronik og kvanteteknologi, " siger Baumgartner. "I princippet, de vertikale kontakter, vi har udviklet til halvlederlagene, kan anvendes på et stort antal halvledere. Vores målinger viser, at disse hybride monolag halvlederkomponenter faktisk er mulige - måske endda med andre, mere eksotiske kontaktmaterialer, der ville bane vejen for yderligere indsigt, "tilføjer han.

Udførlig fremstillingsproces

Fremstillingen af ​​den nye komponent i en type sandwich lavet af forskellige materialer kræver en lang række forskellige trin. I hvert trin, det er vigtigt at undgå forurening, da de alvorligt hæmmer transporten af ​​elektriske ladninger.

For at beskytte halvlederen, forskerne pakker et monolag af molybdændisulfid mellem to tynde lag bornitrid, hvorigennem de tidligere har ætset kontakterne lodret ved hjælp af elektronstrålelitografi og ionætsning. De afsætter derefter et tyndt lag molybdæn rhenium som et kontaktmateriale - et materiale, der bevarer sine superledende egenskaber selv i nærvær af stærke magnetiske felter.

Arbejde under en beskyttende nitrogenatmosfære i et handskerum, forskerne stabler bornitridlaget på molybdændisulfidlaget og kombinerer undersiden med et yderligere lag bornitrid samt et lag grafen til elektrisk kontrol. Forskerne placerer derefter denne komplicerede van der Waals-heterostruktur oven på en silicium/silicium-dioxid-wafer.