Single-atom-dikke halfgeleidersandwich is een belangrijke stap in de richting van ultra-low-energy elektronica

Een nieuw fabricageproces in ‘sandwichstijl’ waarbij een halfgeleider van slechts één atoom dun tussen twee spiegels wordt geplaatst, heeft Australische onderzoekers in staat gesteld een belangrijke stap te zetten in de richting van ultra-lage energie-elektronica op basis van de licht-materie hybride deeltjes exciton-polaritonen.

De studie, geleid door de Australian National University, toonde robuuste, dissipatieloze voortplanting van een exciton vermengd met licht dat tussen de hoogwaardige spiegels stuitert.

Conventionele elektronica vertrouwt op stromende elektronen, of ‘gaten’ (een gat is de afwezigheid van een elektron, dwz een positief geladen quasideeltje).

Een belangrijk gebied van toekomstige elektronica richt zich echter op het gebruik van excitonen (een elektron gebonden aan een gat), omdat ze in principe in een halfgeleider kunnen stromen zonder energie te verliezen door een collectieve superfluïde toestand te vormen. En excitonen in nieuwe, actief bestudeerde atomair dunne halfgeleiders zijn stabiel bij kamertemperatuur.

Atomair dunne halfgeleiders zijn dus een veelbelovende klasse van materialen voor energiezuinige toepassingen zoals nieuwe transistors en sensoren. Maar juist omdat ze zo dun zijn, worden hun eigenschappen, inclusief de stroom van excitonen, sterk beïnvloed door wanorde of onvolkomenheden, die tijdens de fabricage kunnen worden geïntroduceerd.

Het door de ANU geleide FLEET-team – met collega’s van de Swinburne University en FLEET Partner-instelling Wroclaw University – heeft de excitonen in een atomair dun materiaal aan licht gekoppeld om voor het eerst hun langeafstandspropagatie te demonstreren zonder enige dissipatie van energie, in kamer temperatuur.

Wanneer een exciton (materie) bindt met een foton (licht), vormt het een nieuw hybride deeltje – een exciton-polariton. Door licht te vangen tussen twee parallelle hoogwaardige spiegels in een optische microholte, kan dit gebeuren.

In de nieuwe studie stelde een nieuw ‘sandwich-stijl’ fabricageproces voor de optische microholte de onderzoekers in staat om schade aan de atomair dunne halfgeleider te minimaliseren en de interactie tussen de excitonen en de fotonen te maximaliseren. De exciton-polaritonen die in deze structuur werden gevormd, konden zich zonder energiedissipatie voortplanten over tientallen micrometers, de typische schaal van een elektronische microchip.

Microcaviteitsconstructie is de sleutel

Een hoogwaardige optische microcaviteit die de lange levensduur van de lichte (fotonische) component van exciton-polaritonen garandeert, is de sleutel tot deze waarnemingen.

Uit de studie bleek dat exciton-polaritonen opmerkelijk stabiel kunnen worden gemaakt als de microholte op een bepaalde manier wordt geconstrueerd, waardoor schade aan de fragiele halfgeleider tussen de spiegels tijdens de fabricage wordt vermeden.

“De keuze van het atomair dunne materiaal waarin de excitonen reizen, is veel minder belangrijk”, zegt hoofdauteur en corresponderend auteur Matthias Wurdack.

“We ontdekten dat de constructie van die microholte de sleutel was”, zegt Matthias, “En hoewel we in dit specifieke experiment wolfraamsulfide (WS2) hebben gebruikt, geloven we dat elk ander atomair dun TMDC-materiaal ook zou werken.”

(Overgangsmetaal dichalcogeniden zijn uitstekende gastheren voor excitonen, omdat ze excitonen bevatten die stabiel zijn bij kamertemperatuur en een sterke wisselwerking hebben met licht).

Het team bouwde de microholte door alle componenten één voor één te stapelen. Eerst wordt een onderste spiegel van de microholte gefabriceerd, vervolgens wordt er een halfgeleiderlaag op geplaatst en vervolgens wordt de microholte voltooid door er nog een spiegel bovenop te plaatsen. Het is van cruciaal belang dat het team de bovenste spiegelstructuur niet rechtstreeks op de notoir fragiele atomair dunne halfgeleider deponeerde, die gemakkelijk kan worden beschadigd tijdens elk materiaalafzettingsproces.

“In plaats daarvan fabriceren we de hele topstructuur afzonderlijk en plaatsen deze vervolgens mechanisch op de halfgeleider, alsof we een sandwich maken”, zegt Matthias.

“Zo voorkomen we schade aan de atomair dunne halfgeleider en behouden we de eigenschappen van zijn excitonen.”

Belangrijk is dat de onderzoekers deze sandwiching-methode hebben geoptimaliseerd om de holte erg kort te maken, wat de exciton-foton-interactie maximaliseerde.

“We hebben ook geprofiteerd van een beetje serendipiteit”, zegt Matthias. “Een fabricageongeval dat uiteindelijk de sleutel tot ons succes werd!”

Het toevallige ‘ongeluk’ kwam in de vorm van een luchtspleet tussen de twee spiegels, waardoor ze niet strikt parallel waren.

Deze wig in de microholte creëert een spanning/potentiaal ‘helling’ voor de exciton-polaritonen, waarbij de deeltjes ofwel omhoog of omlaag langs de helling bewegen.

De onderzoekers ontdekten dat een deel van de exciton-polaritonen reizen met behoud van totale (potentiële en kinetische) energie, zowel op als neerwaarts. Als ze de helling afdalen, zetten ze hun potentiële energie om in een gelijke hoeveelheid kinetische energie en omgekeerd.

Dat perfecte behoud van totale energie betekent dat er geen energie verloren gaat aan warmte (door ‘wrijving’), wat duidt op ‘ballistisch’ of dissipatieloos transport voor polaritonen. Hoewel de polaritonen in deze studie geen superfluïde vormen, wordt de afwezigheid van dissipatie bereikt omdat alle verstrooiingsprocessen die tot energieverlies leiden, worden onderdrukt.

“Deze demonstratie, voor de eerste keer, van ballistisch transport van polaritons bij kamertemperatuur in atomair dunne TMDC’s is een belangrijke stap in de richting van toekomstige, ultra-lage energie-exciton-gebaseerde elektronica”, zegt groepsleider prof. Elena Ostrovskaya (ANU).

Afgezien van het creëren van de potentiële “helling”, creëerde datzelfde fabricageongeval een potentiële bron voor exciton-polaritonen. Dit stelde de onderzoekers in staat om de reizende exciton-polaritonen in de put te vangen en te accumuleren – een essentiële eerste stap om ze op een microchip te vangen en te leiden.”

Lange afstand, kamertemperatuur stroom van exciton-polaritonen

Verder bevestigden de onderzoekers dat exciton-polaritonen zich tientallen micrometers in de atomair dunne halfgeleider kunnen voortplanten (gemakkelijk ver genoeg voor functionele elektronica), zonder te verstrooien op materiaaldefecten. Dit in tegenstelling tot excitonen in deze materialen, waarvan de reislengte door deze defecten drastisch wordt verminderd.

Bovendien konden de exciton-polaritonen hun intrinsieke coherentie (correlatie tussen signaal op verschillende punten in ruimte en tijd) behouden, wat een goed voorteken is voor hun potentieel als informatiedragers.

“Dit coherente transport over lange afstand werd bereikt bij kamertemperatuur, wat belangrijk is voor de ontwikkeling van praktische toepassingen van atomair dunne halfgeleiders”, zegt Matthias Wurdack.

Als toekomstige excitonische apparaten een levensvatbaar, energiezuinig alternatief voor conventionele elektronische apparaten moeten zijn, moeten ze kunnen werken bij kamertemperatuur, zonder dat er energie-intensieve koeling nodig is.

“In feite, contra-intuïtief, blijkt uit onze berekeningen dat de voortplantingslengte langer wordt bij hogere temperaturen, wat belangrijk is voor technologische toepassingen”, zei Matthias.

“Motionele vernauwing, ballistisch transport en het vangen van exciton-polaritonen bij kamertemperatuur in een atomair dunne halfgeleider” werd gepubliceerd in Natuurcommunicatie in september 2021.