Paraplu voor atomen: de eerste beschermlaag voor 2D-kwantummaterialen

Terwijl op silicium gebaseerde computerchips hun fysieke beperkingen naderen in de zoektocht naar snellere en kleinere ontwerpen, is de zoektocht naar alternatieve materialen die op atomaire schaal functioneel blijven een van de grootste uitdagingen van de wetenschap.

In een baanbrekende ontwikkeling hebben onderzoekers van de Würzburg-Dresden Cluster of Excellence een beschermende film ontwikkeld die kwantumhalfgeleiderlagen van slechts één atoom dik beschermt tegen omgevingsinvloeden zonder hun revolutionaire kwantumeigenschappen in gevaar te brengen. Dit brengt de toepassing van deze delicate atomaire lagen in ultradunne elektronische componenten binnen realistisch bereik. De bevindingen zijn gepubliceerd in Natuurcommunicatie.

2D-kwantummaterialen in plaats van silicium

De race om steeds snellere en krachtigere computerchips te maken gaat door terwijl transistors, hun fundamentele componenten, steeds kleiner en compacter worden. Over een paar jaar zullen deze transistors slechts een paar atomen in doorsnede meten – op dat moment zal de miniaturisatie van de siliciumtechnologie die momenteel wordt gebruikt zijn fysieke grenzen hebben bereikt. Bijgevolg is de zoektocht naar alternatieve materialen met geheel nieuwe eigenschappen cruciaal voor toekomstige technologische vooruitgang.

In 2021 deden wetenschappers van de Cluster of Excellence ct.qmat – Complexity and Topology in Quantum Matter aan de universiteiten JMU Würzburg en TU Dresden een belangrijke ontdekking: topologische kwantummaterialen zoals indeene, die grote belofte inhouden voor ultrasnelle, energiezuinige elektronica . De resulterende, extreem dunne kwantumhalfgeleiders zijn samengesteld uit een enkele atoomlaag – in het geval van indeneen indiumatomen – en fungeren als topologische isolatoren, waarbij elektriciteit vrijwel zonder weerstand langs hun randen wordt geleid.

“Het produceren van zo’n enkele atomaire laag vereist geavanceerde vacuümapparatuur en een specifiek substraatmateriaal. Om dit tweedimensionale materiaal in elektronische componenten te gebruiken, zou het uit de vacuümomgeving moeten worden verwijderd. Blootstelling aan lucht, zelfs kortstondig, leidt echter tot oxidatie, waardoor de revolutionaire eigenschappen ervan worden vernietigd en onbruikbaar wordt”, legt experimenteel natuurkundige professor Ralph Claessen, woordvoerder van ct.qmat in Würzburg, uit.

Op zoek naar een beschermende coating

“We hebben twee jaar besteed aan het vinden van een methode om de gevoelige indeenlaag te beschermen tegen omgevingselementen met behulp van een beschermende coating. De uitdaging was ervoor te zorgen dat deze coating geen interactie aanging met de indeenlaag”, legt Cedric Schmitt uit, een van Claessens promovendi die betrokken is bij het project.

Deze interactie is problematisch omdat wanneer verschillende soorten atomen – van bijvoorbeeld de beschermende laag en de halfgeleider – elkaar ontmoeten, ze chemisch reageren op atomair niveau, waardoor het materiaal verandert. Dit is geen probleem met conventionele siliciumchips, die uit meerdere atomaire lagen bestaan, waardoor voldoende lagen onaangetast blijven en dus nog steeds functioneel zijn.

“Een halfgeleidermateriaal dat uit één enkele atoomlaag bestaat, zoals indeen, zou normaal gesproken worden aangetast door een beschermende film. Dit vormde een schijnbaar onoverkomelijke uitdaging die onze onderzoeksnieuwsgierigheid prikkelde”, zegt Claessen. De zoektocht naar een levensvatbare beschermlaag bracht hen ertoe de materialen van Van der Waals te onderzoeken, genoemd naar de Nederlandse natuurkundige Johannes Diderik van der Waals (1837–1923).

Claessen legt uit: “Deze tweedimensionale van der Waals-atoomlagen worden gekenmerkt door sterke interne bindingen tussen hun atomen, terwijl ze slechts zwak gebonden zijn aan het substraat. Dit concept lijkt op hoe potloodstift gemaakt is van grafiet – een vorm van koolstof met atomen gerangschikt in honingraatlagen – schrijft op papier. De lagen grafeen kunnen gemakkelijk worden gescheiden. We probeerden dit kenmerk te repliceren.”

Met behulp van geavanceerde ultrahoogvacuümapparatuur experimenteerde het team uit Würzburg met het verwarmen van siliciumcarbide (SiC) als substraat voor indeen, waarbij ze de omstandigheden onderzochten die nodig zijn om er grafeen uit te vormen. “Siliciumcarbide bestaat uit silicium- en koolstofatomen. Door het te verwarmen, laten de koolstofatomen los van het oppervlak en vormen ze grafeen”, zegt Schmitt. “Vervolgens hebben we indiumatomen opgedampt, die worden ondergedompeld tussen de beschermende grafeenlaag en het siliciumcarbidesubstraat. Zo werd de beschermende laag voor ons tweedimensionale kwantummateriaal indeen gevormd.”

Voor het eerst wereldwijd hebben Claessen en zijn team bij de vestiging in Würzburg van ct.qmat met succes een functionele beschermlaag voor een tweedimensionaal kwantumhalfgeleidermateriaal vervaardigd zonder de buitengewone kwantumeigenschappen in gevaar te brengen. Na analyse van het fabricageproces testten ze grondig de beschermende eigenschappen van de laag tegen oxidatie en corrosie. “Het werkt! Het monster kan zelfs aan water worden blootgesteld zonder dat het enige schade ondervindt”, zegt Claessen verheugd. “De grafeenlaag fungeert als een paraplu voor ons indeen.”

Op weg naar atomaire laagelektronica

Deze doorbraak maakt de weg vrij voor toepassingen met zeer gevoelige atomaire halfgeleiderlagen. De vervaardiging van ultradunne elektronische componenten vereist dat ze worden verwerkt in lucht of andere chemische omgevingen. Dit is mogelijk gemaakt dankzij de ontdekking van dit beschermingsmechanisme.

Het team in Würzburg richt zich nu op het identificeren van meer Van der Waals-materialen die als beschermende lagen kunnen dienen – en ze hebben al een paar potentiële klanten in gedachten. Het probleem is dat, ondanks de effectieve bescherming van atomaire monolagen tegen omgevingsfactoren, de elektrische geleidbaarheid ervan een risico op kortsluiting met zich meebrengt. De wetenschappers uit Würzburg werken aan het overwinnen van deze uitdagingen en het creëren van de voorwaarden voor de atomaire laagelektronica van morgen.