Met speciaal ontworpen transistors kunnen onderzoekers defecten in een veelbelovend nanomateriaal ‘horen’

Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van NYU Tandon School of Engineering en KAIST (Korea Advanced Institute of Science and Technology) heeft een nieuwe techniek ontwikkeld voor het identificeren en karakteriseren van defecten op atomaire schaal in hexagonaal boornitride (hBN), een tweedimensionaal (2D) materiaal dat vanwege zijn opmerkelijke eigenschappen vaak ‘wit grafeen’ wordt genoemd.

Deze vooruitgang zou de ontwikkeling van de volgende generatie elektronica en kwantumtechnologieën kunnen versnellen.

Het team meldde dat het de aanwezigheid van individuele koolstofatomen kon detecteren die booratomen in hBN-kristallen vervangen. Deze ontdekking werd mogelijk gemaakt door te luisteren naar de elektronische ‘ruis’ in speciaal ontworpen transistors, vergelijkbaar met het horen van gefluister in een stille kamer.

Het onderzoek is gepubliceerd in het journaal ACS Nanodat het onderzoekspaper selecteerde als coverstory voor de editie van 22 oktober 2024.

“In dit project hebben we in wezen een stethoscoop voor 2D-materialen gemaakt”, zegt Davood Shahrjerdi, een van de corresponderende auteurs van het artikel, samen met Yong-Hoon Kim. “Door de kleine en ritmische fluctuaties in elektrische stroom te analyseren, kunnen we het gedrag van afzonderlijke atomaire defecten ‘waarnemen’.”

Shahrjerdi is universitair hoofddocent bij de afdeling Electrical and Computer Engineering van NYU Tandon, faculteitslid van NYU WIRELESS, en directeur van de NYU Nanofabrication Cleanroom (NanoFab) die in 2023 werd geopend. Kim is hoogleraar Elektrotechniek bij KAIST. Shahrjerdi en Kim zijn ook verbonden aan het NYU-KAIST Global Innovation and Research Institute, waar ze samenwerkingen leiden in de NYU-KAIST Next-Gen Semiconductor Devices and Chips onderzoeksgroep.

Het NYU-KAIST-partnerschap werd in september 2022 officieel gelanceerd op NYU door de president van Zuid-Korea. Bij dit historische partnerschap worden de onderscheidende krachten van beide universiteiten gecombineerd om vooruitgang op het gebied van onderzoek en onderwijs te stimuleren. Momenteel zijn er meer dan 200 docenten van beide instellingen bij betrokken.

HBN met één kristal is in wetenschappelijke kringen uitgegroeid tot een wondermateriaal dat belooft velden te transformeren van onconventionele elektronica naar kwantumtechnologieën.

De atomair dunne structuur en uitstekende isolerende eigenschappen van hBN maken het een ideaal medium voor het herbergen van exotische fysieke verschijnselen die niet mogelijk zijn met conventionele materialen. De atomaire defecten in hBN kunnen de elektronische eigenschappen ervan aantasten, soms op manieren die kunnen worden benut voor kwantumtechnologieën.

Het NYU-team bouwde een transistor met behulp van een paar lagen dun molybdeendisulfide (een ander 2D-halfgeleidend materiaal) ingeklemd tussen lagen hBN. Door dit apparaat af te koelen tot cryogene temperaturen en nauwkeurige elektrische spanningen toe te passen, konden ze discrete sprongen in de stroom die door de transistor vloeide waarnemen.

Deze sprongen, bekend als willekeurige telegraafsignalen (RTS), treden op wanneer elektronen worden opgevangen en vrijgegeven door defecten in het hBN. Door deze signalen zorgvuldig te analyseren bij verschillende temperaturen en spanningen, kon het team de energieniveaus en ruimtelijke locaties van de defecten bepalen.

“Het is alsof we een microscoop hebben ontwikkeld die individuele atomen kan ‘zien’, maar in plaats van licht gebruiken we elektriciteit”, zegt Zhujun Huang, de eerste auteur van het artikel en een Ph.D. aan de NYU Tandon ECE. student op het moment van de studie.

Het KAIST-team gebruikte vervolgens geavanceerde computersimulaties om de atomistische oorsprong van de experimentele waarnemingen te verduidelijken. Concreet onthulde deze combinatie van experiment en theorie dat de defecten koolstofatomen zijn die zitten op plaatsen waar booratomen zich in de hBN-kristalstructuur zouden moeten bevinden.

“Het begrijpen en beheersen van de defecten in 2D-materialen zou aanzienlijke gevolgen kunnen hebben voor de toekomst van elektronica en kwantumtechnologieën”, leggen Sharhrjerdi en Kim uit. “We zouden bijvoorbeeld in staat kunnen zijn om meer perfecte kwantummateriaalplatforms te creëren voor de ontdekking van nieuwe fysica of single-photon-emitters voor veilige communicatie.”

Dit werk draagt ​​bij aan het groeiende portfolio van NYU Tandon op het gebied van kwantummaterialen en apparaattechnologieën, in lijn met de halfgeleiderinnovatiedoelen van de CHIPS en Science Act. Eerder onderzoek heeft nanoproductieprincipes aangetoond voor kwantummaterialen met een lage stoornis en hun potentieel in apparaten wanneer ze worden geïntegreerd met supergeleiders.