Paraply til atomer:Det første beskyttende lag til 2D kvantematerialer

Efterhånden som siliciumbaserede computerchips nærmer sig deres fysiske begrænsninger i jagten på hurtigere og mindre designs, er søgen efter alternative materialer, der forbliver funktionelle på atomare skala, en af ​​videnskabens største udfordringer.

I en banebrydende udvikling har forskere ved Würzburg-Dresden Cluster of Excellence konstrueret en beskyttende film, der beskytter kvantehalvlederlag kun et atom tykt fra miljøpåvirkninger uden at gå på kompromis med deres revolutionerende kvanteegenskaber. Dette sætter anvendelsen af ​​disse sarte atomlag i ultratynde elektroniske komponenter inden for realistisk rækkevidde. Resultaterne er blevet offentliggjort i Nature Communications .

2D kvantematerialer i stedet for silicium

Kapløbet om at skabe stadig hurtigere og mere kraftfulde computerchips fortsætter, efterhånden som transistorer, deres grundlæggende komponenter, krymper til stadig mindre og mere kompakte størrelser. Om få år vil disse transistorer kun måle nogle få atomer på tværs - hvorefter miniaturiseringen af ​​den siliciumteknologi, der anvendes i øjeblikket, vil have nået sine fysiske grænser. Derfor er jagten på alternative materialer med helt nye egenskaber afgørende for fremtidige teknologiske fremskridt.

I 2021 gjorde forskere fra Cluster of Excellence ct.qmat—Complexity and Topology in Quantum Matter ved universiteterne JMU Würzburg og TU Dresden en betydelig opdagelse:topologiske kvantematerialer såsom indenen, der lover meget for ultrahurtig, energieffektiv elektronik. . De resulterende, ekstremt tynde kvantehalvledere er sammensat af et enkelt atomlag – i indenenes tilfælde indiumatomer – og fungerer som topologiske isolatorer og leder elektricitet praktisk talt uden modstand langs deres kanter.

"At producere et sådant enkelt atomlag kræver sofistikeret vakuumudstyr og et specifikt substratmateriale. For at udnytte dette todimensionelle materiale i elektroniske komponenter, ville det skulle fjernes fra vakuummiljøet. Men udsættelse for luft, selv kortvarigt, fører til bl.a. oxidation, ødelægger dets revolutionære egenskaber og gør det ubrugeligt," forklarer eksperimentel fysiker professor Ralph Claessen, ct.qmats Würzburg-talsmand.

På jagt efter en beskyttende belægning

"Vi dedikerede to år til at finde en metode til at beskytte det følsomme indenenlag mod miljøelementer ved hjælp af en beskyttende coating. Udfordringen var at sikre, at denne coating ikke interagerer med indenenlaget," forklarer Cedric Schmitt, en af ​​Claessens ph.d.-studerende involveret i projektet.

Denne interaktion er problematisk, fordi når forskellige typer atomer - fra det beskyttende lag og halvlederen, for eksempel - mødes, reagerer de kemisk på atomniveau og ændrer materialet. Dette er ikke et problem med konventionelle siliciumchips, som omfatter flere atomlag, hvilket efterlader tilstrækkelige lag upåvirket og derfor stadig funktionelle.

"Et halvledermateriale bestående af et enkelt atomlag som f.eks. indenen ville normalt blive kompromitteret af en beskyttende film. Dette udgjorde en tilsyneladende uoverkommelig udfordring, som vakt vores forskningsnysgerrighed," siger Claessen. Søgningen efter et levedygtigt beskyttende lag førte dem til at udforske van der Waals-materialer, opkaldt efter den hollandske fysiker Johannes Diderik van der Waals (1837-1923).

Claessen forklarer, "Disse todimensionelle van der Waals atomlag er karakteriseret ved stærke interne bindinger mellem deres atomer, mens de kun binder svagt til substratet. Dette koncept er beslægtet med, hvordan blyantbly lavet af grafit - en form for kulstof med atomer arrangeret i honeycomb-lag - skriver på papir Lagene af grafen kan nemt adskilles

Ved hjælp af sofistikeret ultrahøjt vakuumudstyr eksperimenterede Würzburg-holdet med opvarmning af siliciumcarbid (SiC) som et substrat for indenen og udforskede de nødvendige betingelser for at danne grafen ud fra det. "Siliciumcarbid består af silicium og kulstofatomer. Opvarmning af det får kulstofatomerne til at løsne sig fra overfladen og danne grafen," siger Schmitt. "Vi dampede derefter indiumatomer, som er nedsænket mellem det beskyttende grafenlag og siliciumcarbidsubstratet. Sådan blev det beskyttende lag for vores todimensionelle kvantemateriale indenen dannet."

For første gang globalt har Claessen og hans team hos ct.qmats Würzburg-afdeling med succes lavet et funktionelt beskyttende lag til et todimensionelt kvantehalvledermateriale uden at gå på kompromis med dets ekstraordinære kvanteegenskaber. Efter at have analyseret fremstillingsprocessen, testede de grundigt lagets beskyttende egenskaber mod oxidation og korrosion. "Det virker! Prøven kan endda udsættes for vand uden at blive påvirket på nogen måde," siger Claessen med glæde. "Grafenlaget fungerer som en paraply for vores indenen."

Mod atomlagelektronik

Dette gennembrud baner vejen for applikationer, der involverer meget følsomme halvleder-atomlag. Fremstillingen af ​​ultratynde elektroniske komponenter kræver, at de behandles i luft eller andre kemiske miljøer. Dette er blevet muligt takket være opdagelsen af ​​denne beskyttelsesmekanisme.

Holdet i Würzburg er nu fokuseret på at identificere flere van der Waals-materialer, der kan tjene som beskyttende lag - og de har allerede et par udsigter i tankerne. Hagen er, at på trods af grafens effektive beskyttelse af atomare monolag mod miljøfaktorer, udgør dets elektriske ledningsevne en risiko for kortslutninger. Würzburg-forskerne arbejder på at overvinde disse udfordringer og skabe betingelserne for morgendagens atomlagselektronik.

Flere oplysninger: Cedric Schmitt et al., At opnå miljøstabilitet i en atomisk tynd quantum spin Hall isolator via grafen intercalation, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45816-9

Leveret af Würzburg-Dresdner Exzellenzcluster ct.qmat