Onthullingen van Hall-fouten wekken aspiraties voor 2-D-materialen

Een van de eerste dingen die mensen doen als ze een nieuw materiaal tegenkomen met mogelijk interessante elektronische eigenschappen, is het meten van de Hall-spanning. Nooit is dit zo waar geweest als bij de explosie van nieuwe 2D-materialen, maar het blijkt dat apparaten die zijn gemaakt van 2D-materialen die bedoeld zijn om Hall-spanningsmetingen uit te voeren, vaak een ongeschikte geometrie hebben. Dit is precies wat Adam Micolich en zijn team van de University of New South Wales ontdekten toen ze de kenmerken van de 2-D III-V halfgeleider InAs begonnen te bestuderen, en zich realiseerden dat er een discrepantie was waar ze rekening mee moesten houden tussen de set-up ze hadden en de opzet waar ze naar streefden. “We dachten dat dit in de literatuur moest staan; we kunnen niet de eersten zijn die dit willen corrigeren, maar er was eigenlijk niets daarbuiten”, vertelt hij Phys.org.

Met Ph.D. student Jakob Seidl en postdoc Jan Gluschke, die graag wilden bepalen door hoeveel de niet-ideale geometrie van 2D-apparaten hun Hall-metingen beïnvloedt, begonnen de onderzoekers de opstelling te modelleren en een reeks nauwgezette experimenten uit te voeren 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 introduceerden; in feite waren de metingen over het algemeen een factor twee, en in sommige gevallen een hele orde van grootte. “En het interessante was dat het in de meeste gevallen betekende dat mensen het ding onderschatten dat ze het meest waarderen, namelijk 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 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 de algehele geleidbaarheid van het materiaal geven.

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

Ongeveer een jaar geleden ontdekten Philippe Caroff en collega’s van de Australian National University dat ze de sjabloon konden aanpassen om reeksen InA’s te laten groeien, niet in de vorm van nanodraden, maar met de breedte uitgerekt tot 2-D “nanovinnen”. Hier hadden Hall-metingen iets eenvoudiger moeten zijn, aangezien de Hall-spanning over een grotere afstand werd gegenereerd, wat leidde tot grotere waarden die gemakkelijker te meten zouden moeten zijn. Hoewel het echter mogelijk is om Hall-metingen uit te voeren met 2D-materialen, is de ideale geometrie een rechthoek die langer is dan breed, met een paar puntcontacten die alleen de zijkanten van het 2D-materiaal raken. In experimenten hebben deze puntcontacten een eindige breedte die vrij groot kan zijn in termen van de lengte van het apparaat. Bovendien overlapt een deel van de elektrode onvermijdelijk de bovenkant van het 2D-materiaal omdat ze zo dun zijn. “Het kleine beetje metaal op de bovenkant doet er eigenlijk heel veel toe”, zegt Micolich.

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

Correcties bij de hand

Het werk benadrukt niet alleen dat deze materialen beter kunnen presteren dan eerder werd gedacht, maar ze bieden ook tabellen met de metingen zodat mensen kunnen uitzoeken hoe ze de tekortkomingen van hun eigen apparaten kunnen corrigeren. De geschetste correcties zijn naar verwachting toepasbaar 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 realiseerden dat hun apparaten niet passen in de ideale geometrie voor Hall-metingen, en misschien waren ze teleurgesteld dat er niets in de literatuur was dat aangeeft hoe het effect te corrigeren.

“Nou,” zegt Micolich, “nu is er.”