Natuurkundigen van UT Dallas hebben nieuwe bevindingen gepubliceerd over de elektrische eigenschappen van materialen die kunnen worden gebruikt voor transistors en elektronica van de volgende generatie.

Dr. Fan Zhang, assistent-professor natuurkunde, en senior natuurkundestudent Armin Khamoshi publiceerden onlangs hun onderzoek naar overgangsmetaaldichalcogeniden, of TMD's, in het journaal Natuurcommunicatie . Zhang is een co-corresponderende auteur, en Khamoshi is een co-hoofdauteur van het artikel, waaronder ook samenwerkende wetenschappers van de Hong Kong University of Science and Technology.

In recente jaren, wetenschappers en ingenieurs zijn gedeeltelijk geïnteresseerd geraakt in TMD's omdat ze in veel opzichten superieur zijn aan grafeen, een atoom dik, tweedimensionale laag koolstofatomen gerangschikt in een rooster. Sinds het voor het eerst werd geïsoleerd in 2004, grafeen is onderzocht vanwege zijn potentieel om conventionele halfgeleiders in transistors te vervangen, ze nog verder in omvang verkleinen. Grafeen is een uitzonderlijke geleider, een materiaal waarin elektronen gemakkelijk bewegen, met hoge mobiliteit.

"Men dacht dat grafeen in transistors kon worden gebruikt, maar in transistoren, je moet de elektrische stroom aan en uit kunnen zetten, " zei Zhang. "Met grafeen, echter, de stroom kan niet gemakkelijk worden uitgeschakeld."

Voorbij grafeen

In hun zoektocht naar alternatieven, wetenschappers en ingenieurs hebben zich tot TMD's gewend, die ook kan worden gemaakt in dunne, tweedimensionale platen, of monolagen, slechts een paar moleculen dik.

"TMD's hebben iets dat grafeen niet heeft - een energiekloof waardoor de stroom van elektronen kan worden gecontroleerd, om de stroom aan en uit te zetten, " zei Khamoshi. "Deze kloof maakt TMD's ideaal voor gebruik in transistors. TMD's zijn ook zeer goede absorptiemiddelen van circulair gepolariseerd licht, zodat ze kunnen worden gebruikt in detectoren. Om deze redenen, deze materialen zijn een zeer populair onderzoeksonderwerp geworden."

Een van de uitdagingen is het optimaliseren en vergroten van de elektronenmobiliteit in TMD-materialen, een sleutelfactor als ze worden ontwikkeld voor gebruik in transistors, zei Khamoshi.

In hun meest recente project Zhang en Khamoshi leverden het theoretische werk om de Hong Kong-groep te begeleiden bij de laag-voor-laag constructie van een TMD-apparaat en bij het gebruik van magnetische velden om te bestuderen hoe elektronen door het apparaat reizen. Elke monolaag van TMD is drie moleculen dik, en de lagen waren ingeklemd tussen twee vellen boornitride-moleculen.

"Het gedrag van elektronen bepaalt het gedrag van deze materialen, " zei Zhang. "We willen gebruik maken van zeer mobiele elektronen, maar het is erg uitdagend. Onze medewerkers in Hong Kong boekten aanzienlijke vooruitgang in die richting door een manier te bedenken om de elektronenmobiliteit aanzienlijk te vergroten."

Het team ontdekte dat hoe elektronen zich in de TMD's gedragen, afhangt van het feit of er een even of oneven aantal TMD-lagen werd gebruikt.

"Dit laagafhankelijke gedrag is een zeer verrassende bevinding, " zei Zhang. "Het maakt niet uit hoeveel lagen je hebt, maar liever, of er een oneven of even aantal lagen is."

Elektronenfysica

Omdat de TMD-materialen werken op de schaal van individuele atomen en elektronen, de onderzoekers verwerkten de kwantumfysica in hun theorieën en observaties. In tegenstelling tot de klassieke natuurkunde, die het gedrag beschrijft van grootschalige objecten die we kunnen zien en aanraken, kwantumfysica regeert het rijk van zeer kleine deeltjes, inclusief elektronen.

Op de schaal van alledaagse elektrische apparaten, elektronen die door draden stromen gedragen zich als een stroom deeltjes. In de kwantumwereld echter, elektronen gedragen zich als golven, en de elektrische transversale geleiding van het tweedimensionale materiaal in de aanwezigheid van een magnetisch veld is niet langer als een stroom - het verandert in discrete stappen, zei Zhang. Het fenomeen wordt quantum Hall-geleiding genoemd.

"Quantum Hall-geleiding kan stap voor stap veranderen, of twee stappen door twee stappen, enzovoort, " zei hij. "We ontdekten dat als we een even aantal TMD-lagen in ons apparaat gebruikten, er was een kwantumgeleiding in 12 stappen. Als we er een sterk genoeg magnetisch veld op aanleggen, het zou veranderen met zes stappen tegelijk."

Het gebruik van een oneven aantal lagen in combinatie met een laag magnetisch veld resulteerde ook in een 6-staps quantum Hall-geleiding in de TMD's, maar onder sterkere magnetische velden, het werd een 3-staps fenomeen.

"Het type quantum Hall-geleiding dat we in onze TMD-apparaten hebben voorspeld en waargenomen, is nog nooit in enig ander materiaal gevonden, "Zei Zhang. "Deze resultaten ontcijferen niet alleen de intrinsieke eigenschappen van TMD-materialen, maar laten ook zien dat we een hoge elektronenmobiliteit in de apparaten hebben bereikt. Dit geeft ons hoop dat we ooit TMD's voor transistors kunnen gebruiken."