Een van de eerste dingen die mensen doen als ze een nieuw materiaal tegenkomen met potentieel interessante elektronische eigenschappen, is de Hall-spanning meten. Nooit was dit meer waar dan met de explosie van nieuwe 2D-materialen, maar het blijkt dat vaak apparaten gemaakt van 2D-materialen die bedoeld zijn om Hall-spanningsmetingen uit te voeren, hebben een ongeschikte geometrie. Dit is precies wat Adam Micolich en zijn team van de Universiteit van New South Wales ontdekten toen ze de kenmerken van de 2-D III-V halfgeleider InAs begonnen te bestuderen. en realiseerde zich dat er een mismatch was waar ze rekening mee moesten houden tussen de opstelling die ze hadden en de opstelling waarnaar ze streefden. "We dachten dat dit in de literatuur moest staan; we kunnen niet de eerste zijn die dit willen corrigeren, maar er was eigenlijk niets daarbuiten, " vertelt hij aan Phys.org.

Met Ph.D. student Jakob Seidl en postdoc Jan Gluschke willen graag bepalen in hoeverre de niet-ideale geometrie van 2D-apparaten hun Hall-metingen beïnvloedt, de onderzoekers begonnen de opstelling te modelleren en voerden een reeks nauwgezette experimenten uit op 2D Hall-apparaten met verschillende geometrieën. Wat ze ontdekten was dat obstakels voor het bereiken van de ideale geometrie voor Hall-metingen geen kleine onnauwkeurigheden waren; in feite, metingen waren over het algemeen met een factor twee uit, en in sommige gevallen, een hele orde van grootte. "En het interessante was dat in de meeste gevallen, het betekende dat mensen onderschatten wat ze het meest waarderen, dat is de mobiliteit van de materialen, " voegt Micolich toe. "Hun materialen zijn beter dan ze denken, ze kunnen het gewoon niet zien omdat hun opstelling niet ideaal is."

Het probleem met 2-D

Het Hall-effect verwijst naar de spanning die ontstaat wanneer een magnetisch veld wordt aangelegd op een materiaal waar een stroom doorheen loopt, waarin ze alle drie loodrecht op elkaar staan. Deze Hall-spanning geeft een uitstekende indicatie van de dichtheid van elektronen in een materiaal, die samen met de mobiliteit, geven de algehele geleidbaarheid van het materiaal.

voor Micolich, materialen met lastige morfologieën voor Hall-metingen zijn een oud probleem. Het werk van de groep is voortgekomen uit eerder werk aan III-V nanodraden, waar het probleem was om de elektroden te bevestigen om de Hall-spanning te meten aan zo'n smal apparaat zonder contact met elkaar te maken en vervolgens de kleine spanning te meten die over zulke kleine afstanden resulteert. Voor nanodraden, de moeilijkheid om daadwerkelijk een meting te krijgen, betekent dat wetenschappers hun toevlucht hebben genomen tot allerlei, vaak onbevredigende, tijdelijke oplossingen om de elektronische eigenschappen te meten. Echter, De groep van Lars Samuelson in Lund en de groep van Thomas Schapers in Julich demonstreerden de eerste experimenten om de behendigheid en gevoeligheid op nanoschaal te bereiken die nodig zijn voor Hall-metingen van nanodraden.

Ongeveer een jaar geleden, Philippe Caroff en collega's van de Australian National University ontdekten dat ze de sjabloon konden aanpassen om arrays van InAs te laten groeien die niet de vorm hebben van nanodraden, maar met de breedte uitgerekt tot 2-D "nanofinen". Hier, Hall-metingen hadden iets eenvoudiger moeten zijn omdat de Hall-spanning over een grotere afstand werd gegenereerd, leidt tot grotere waarden die gemakkelijker te meten zouden moeten zijn. Echter, hoewel het mogelijk is om Hall-metingen te doen met 2D-materialen, de ideale geometrie is een rechthoek die langer is dan breed met een paar puntcontacten die net de zijkanten van het 2D-materiaal raken. Bij experimenten, deze puntcontacten hebben een eindige breedte die behoorlijk groot kan zijn in termen van de lengte van het apparaat. In aanvulling, een deel van de elektrode overlapt onvermijdelijk de bovenkant van het 2D-materiaal omdat ze zo dun zijn. "Het kleine beetje metaal aan de bovenkant maakt eigenlijk heel veel uit, " zegt Micolich.

Een andere eigenaardigheid van het werken met 2D-materialen zijn de problemen met het reproduceren van identieke morfologieën, wat systematische vergelijkingen van het effect van geometrie bijzonder moeilijk maakt. Hier, Micolich en zijn team hadden het voordeel dat ze werkten aan nanovinnen die in batches van miljoenen bijna identieke vinnen tegelijk werden gekweekt. Om de effecten van apparaatvariatie op de resultaten verder te verminderen, ze gebruikten zo min mogelijk vinnen en bevestigden meerdere sets elektroden met verschillende tussenruimten, vormen en overlappingen om zoveel mogelijk te vergelijken.

Correcties bij de hand

Het werk laat niet alleen zien dat deze materialen beter kunnen presteren dan eerder werd gedacht, maar ze bieden tabellen met de metingen, zodat mensen kunnen uitzoeken hoe ze de tekortkomingen van hun eigen apparaten kunnen corrigeren. De geschetste correcties zijn naar verwachting van toepassing op alle materialen, ongeacht hun specifieke eigenschappen, aangezien alleen de geometrie van het apparaat de metingen beïnvloedt.

Micolich suggereert dat er in de loop der jaren waarschijnlijk veel groepen zijn geweest die zich hebben gerealiseerd dat hun apparaten niet passen in de ideale geometrie voor Hall-metingen, en was misschien teleurgesteld om niets in de literatuur te vinden dat erop wijst hoe voor het effect te corrigeren.

"We zullen, " zegt Micolich, "nu is er."

© 2020 Wetenschap X Netwerk