Of het nu gaat om smartphones, televisies of gebouwentechniek, halfgeleiders spelen een centrale rol in de elektronica en dus in ons dagelijks leven. In tegenstelling tot metalen, het is mogelijk om hun elektrische geleidbaarheid aan te passen door een spanning aan te leggen en zo de stroom aan en uit te schakelen.

Met het oog op toekomstige toepassingen in elektronica en kwantumtechnologie, onderzoekers richten zich op de ontwikkeling van nieuwe componenten die bestaan ​​uit een enkele laag (monolaag) van een halfgeleidend materiaal. Sommige natuurlijk voorkomende materialen met halfgeleidende eigenschappen hebben dit soort monolagen, gestapeld om een ​​driedimensionaal kristal te vormen. In het laboratorium, onderzoekers kunnen deze lagen - die niet dikker zijn dan een enkele molecuul - scheiden en ze gebruiken om elektronische componenten te bouwen.

Nieuwe eigenschappen en fenomenen

Deze ultradunne halfgeleiders beloven unieke eigenschappen te leveren die anders zeer moeilijk te controleren zijn, zoals het gebruik van elektrische velden om de magnetische momenten van de elektronen te beïnvloeden. In aanvulling, In deze halfgeleidende monolagen vinden complexe kwantummechanische verschijnselen plaats die mogelijk toepassingen hebben in de kwantumtechnologie.

Wetenschappers over de hele wereld onderzoeken hoe deze dunne halfgeleiders kunnen worden gestapeld om nieuwe synthetische materialen te vormen, bekend als van der Waals heterostructuren. Echter, tot nu, ze zijn er niet in geslaagd om zo'n monolaag te combineren met supergeleidende contacten om dieper in de eigenschappen en eigenaardigheden van de nieuwe materialen te graven.

Supergeleidende contacten

Een team van natuurkundigen, geleid door Dr. Andreas Baumgartner in de onderzoeksgroep van professor Christian Schönenberger aan het Zwitserse Nanoscience Institute en de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Basel, heeft nu voor het eerst een monolaag van het halfgeleider molybdeendisulfide voorzien van supergeleidende contacten.

De reden waarom deze combinatie van halfgeleider en supergeleider zo interessant is, is dat de experts verwachten dat dit soort componenten nieuwe eigenschappen en fysische verschijnselen vertonen. "In een supergeleider, de elektronen rangschikken zich in paren, als partners in een dans - met vreemde en wonderbaarlijke gevolgen, zoals het vloeien van de elektrische stroom zonder weerstand, " legt Baumgartner uit, de projectleider van het onderzoek. "In de halfgeleider molybdeendisulfide, anderzijds, de elektronen voeren een heel andere dans uit, een vreemde solo-routine die ook hun magnetische momenten bevat. Nu willen we weten welke nieuwe en exotische dansen de elektronen afspreken als we deze materialen combineren."

Geschikt als platform

De elektrische metingen bij de lage temperaturen die nodig zijn voor supergeleiding - net boven het absolute nulpunt (-273,15 graden Celsius) - laten duidelijk de effecten zien die door de supergeleider worden veroorzaakt; bijvoorbeeld, bij bepaalde energieën, losse elektronen zijn niet meer toegestaan. Bovendien, vonden de onderzoekers aanwijzingen voor een sterke koppeling tussen de halfgeleiderlaag en de supergeleider.

"Sterke koppeling is een sleutelelement in de nieuwe en opwindende fysieke verschijnselen die we verwachten te zien in dergelijke van der Waals-heterostructuren, maar hebben nooit kunnen aantonen " zegt Mehdi Ramezani, hoofdauteur van de studie.

"En, natuurlijk, we hopen altijd op nieuwe toepassingen in elektronica en kwantumtechnologie, ", zegt Baumgartner. "In principe de verticale contacten die we hebben ontwikkeld voor de halfgeleiderlagen zijn toepasbaar op een groot aantal halfgeleiders. Onze metingen tonen aan dat deze hybride monolaagse halfgeleidercomponenten inderdaad mogelijk zijn - misschien zelfs met andere, meer exotische contactmaterialen die de weg vrijmaken voor verdere inzichten, " hij voegt toe.

Uitgebreid fabricageproces:

De fabricage van het nieuwe onderdeel in een soort sandwich van verschillende materialen vereist een groot aantal verschillende stappen. Bij elke stap, het is belangrijk om besmettingen te voorkomen, omdat ze het transport van elektrische ladingen ernstig belemmeren.

Om de halfgeleider te beschermen, de onderzoekers verpakken een monolaag molybdeendisulfide tussen twee dunne lagen boornitride, waardoor ze eerder de contacten verticaal hebben geëtst met behulp van elektronenstraallithografie en ionenetsen. Vervolgens zetten ze een dunne laag molybdeen-rhenium af als contactmateriaal - een materiaal dat zijn supergeleidende eigenschappen behoudt, zelfs in de aanwezigheid van sterke magnetische velden.

Werken onder een beschermende stikstofatmosfeer in een handschoenenkastje, de onderzoekers stapelen de boornitridelaag op de molybdeendisulfidelaag en combineren de onderkant met een verdere laag boornitride en een laag grafeen voor elektrische controle. De onderzoekers plaatsen deze uitgebreide van der Waals-heterostructuur vervolgens op een silicium/siliciumdioxide-wafel.