Een kwantummechanisch transportfenomeen voor het eerst gedemonstreerd in synthetische, atomair dun gelaagd materiaal bij kamertemperatuur zou kunnen leiden tot nieuwe nano-elektronische circuits en apparaten, volgens onderzoekers van Penn State en drie andere Amerikaanse en internationale universiteiten.

Het kwantumtransporteffect, negatieve differentiële weerstand (NDR) genoemd, werd waargenomen toen een spanning werd toegepast op structuren gemaakt van één atoom dikke lagen van verschillende gelaagde materialen die bekend staan ​​​​als van der Waals-materialen. De driedelige structuren bestaan ​​uit een basis van grafeen gevolgd door atomaire lagen van ofwel molybdeendisulfide (MoS2), molybdeendiselenide (MoSe2), of wolfraamdiselenide (WSe2).

NDR is een fenomeen waarbij de golfaard van elektronen hen in staat stelt door elk materiaal met variërende weerstand te tunnelen. Het potentieel van NDR ligt in elektronische laagspanningscircuits die op hoge frequentie kunnen worden gebruikt.

"Theorie suggereert dat het stapelen van tweedimensionale lagen van verschillende materialen op elkaar kan leiden tot nieuwe materialen met nieuwe verschijnselen, " zei Jozua Robinson, een Penn State-assistent-professor materiaalwetenschappen en techniek wiens student, Yu Chuan Lin, is de eerste auteur van een paper die vandaag online verschijnt, 19 juni in het journaal Natuurcommunicatie . Het artikel is getiteld "Atomically Thin Resonant Tunnel Diodes Built from Synthetic van der Waals Heterostructures."

Het bereiken van NDR in een resonante tunnelingdiode bij kamertemperatuur vereist bijna perfecte interfaces, die mogelijk zijn met behulp van directe groeitechnieken, in dit geval oxideverdamping van molybdeenoxide in aanwezigheid van zwaveldamp om de MoS2-laag te maken, en metaal-organische chemische dampafzetting om de WSe2 en MoSe2 te maken.

"Dit is de eerste keer dat deze verticale heterostructuren op deze manier zijn gegroeid, Robinson zei. "Mensen gebruiken meestal geëxfolieerde materialen die ze stapelen, maar het was buitengewoon moeilijk om dit fenomeen te zien met geëxfolieerde lagen, omdat de interfaces niet schoon zijn. Met directe groei krijgen we onberispelijke interfaces waar we dit fenomeen elke keer zien."

Wat Lin en Robinson's aandacht trok, was een scherpe piek en dal in hun elektrische metingen waar er normaal gesproken een regelmatige opwaartse helling zou zijn. Elk onverwacht fenomeen, als het herhaalbaar is, interesseert, zei Robinson. Om hun resultaten te verklaren, ze raadpleegden een expert in elektronische apparaten op nanoschaal, Suman Datta, die hen vertelde dat ze een 2D-versie van een resonante tunneling diode zagen, een kwantummechanisch apparaat dat op laag vermogen werkt.

"Resonante tunneldiodes zijn belangrijke circuitcomponenten, " zei Datta, een co-auteur op het papier en Penn State hoogleraar elektrotechniek. "Resonante tunnelingdiodes met NDR kunnen worden gebruikt om hoogfrequente oscillatoren te bouwen. Dit betekent dat we 's werelds dunste resonante tunnelingdiode hebben gebouwd, en het werkt bij kamertemperatuur."

Medeauteur Robert Wallace van de Universiteit van Texas in Dallas zei dat dit samenwerkingswerk een belangrijke prestatie is bij de realisatie van bruikbare 2D-geïntegreerde schakelingen.

"Het vermogen om het resonantiegedrag bij kamertemperatuur te observeren met gesynthetiseerde 2D-materialen in plaats van geëxfolieerd, gestapelde vlokken is opwindend omdat het wijst op de mogelijkheden voor schaalbare fabricagemethoden voor apparaten die meer compatibel zijn met industriële belangen. De uitdaging die we nu moeten aangaan, omvat het verder verbeteren van de gegroeide 2D-materialen en het verkrijgen van betere prestaties voor toekomstige apparaattoepassingen, ' zei Wallace.

De co-auteurs van UT-Dallas leverden de gedetailleerde karakterisering van atomaire resolutiematerialen voor de resonante tunnelingdiodes die in Penn State zijn ontdekt.

Datta schrijft een theoretisch begrip van het elektronentransport in de 2D-gelaagde materialen toe aan zijn postdoctoraal onderzoeker Ram Krishna Ghosh, waarvan de berekeningen nauw overeenkomen met de experimentele resultaten. Datta waarschuwde dat de nieuwe resonante tunneldiode slechts één element in een circuit is en dat de volgende stap het bouwen en integreren van de andere circuitelementen vereist, zoals transistoren, in 2D.

"Het bericht om mee naar huis te nemen, " hij zei, "is dat dit ons een goudklompje geeft waarmee wij als apparaat- en circuitmensen kunnen gaan spelen en nuttige circuits kunnen bouwen voor 2D-elektronica."