![De monolaag van molybdeendisulfide (MoS2) is ingeklemd tussen twee beschermende lagen boornitride (hBN), met molybdeen-rhenium (MoRe) contacten die zich door de bovenste uitstrekken. Een laag grafeen (poort) wordt gebruikt voor elektrische besturing. Krediet: Mehdi Ramezani, Zwitsers Nanoscience Institute, Universiteit van Basel Ultradunne halfgeleiders voor het eerst elektrisch verbonden met supergeleiders](https://scx1.b-cdn.net/csz/news/800a/2021/ultrathin-semiconducto.jpg)
De monolaag van molybdeendisulfide (MoS2) is ingeklemd tussen twee beschermende lagen boornitride (hBN), met molybdeen-rhenium (MoRe) contacten die zich door de bovenste uitstrekken. Een laag grafeen (poort) wordt gebruikt voor elektrische besturing. Krediet: Mehdi Ramezani, Zwitsers Nanowetenschappelijk Instituut, Universiteit van Basel
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 is het 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 richten onderzoekers 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 kunnen onderzoekers deze lagen – die niet dikker zijn dan een enkele molecuul – scheiden en gebruiken om elektronische componenten te bouwen.
Nieuwe eigenschappen en verschijnselen
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. Daarnaast vinden in deze halfgeleidende monolagen 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, de zogenaamde van der Waals-heterostructuren. Tot nu toe zijn ze er echter niet in geslaagd om zo’n monolaag te combineren met supergeleidende contacten om dieper te graven in de eigenschappen en eigenaardigheden van de nieuwe materialen.
Supergeleidende contacten
Een team van natuurkundigen, onder leiding van 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 een monolaag van de halfgeleider molybdeendisulfide voorzien van supergeleidende contacten voor de eerste keer.
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 rangschikken de elektronen zichzelf in paren, als partners in een dans – met vreemde en prachtige gevolgen, zoals de stroom van de elektrische stroom zonder weerstand”, legt Baumgartner, de projectmanager van het onderzoek, uit. “In de halfgeleider molybdeendisulfide daarentegen voeren de elektronen een heel andere dans uit, een vreemde solo-routine die ook hun magnetische momenten incorporeert. Nu willen we weten welke nieuwe en exotische dansen de elektronen overeenkomen als we combineren deze materialen.”
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; bij bepaalde energieën zijn bijvoorbeeld losse elektronen 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 die we nooit hebben kunnen aantonen”, zegt Mehdi Ramezani, hoofdauteur van de studie.
“En we hopen natuurlijk altijd op nieuwe toepassingen in elektronica en kwantumtechnologie”, zegt Baumgartner. “In principe kunnen de verticale contacten die we voor de halfgeleiderlagen hebben ontwikkeld, worden toegepast op een groot aantal halfgeleiders. Onze metingen laten zien dat deze hybride monolaagse halfgeleidercomponenten inderdaad mogelijk zijn – misschien zelfs met andere, meer exotische contactmaterialen die de de weg naar verdere inzichten”, voegt hij eraan 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 is het belangrijk om verontreinigingen te vermijden, omdat deze het transport van elektrische ladingen ernstig belemmeren.
Om de halfgeleider te beschermen, pakken de onderzoekers een monolaag van molybdeendisulfide tussen twee dunne lagen boornitride, waardoor ze eerder de contacten verticaal hebben geëtst met behulp van elektronenstraallithografie en ionenetsen. Vervolgens leggen ze een dunne laag molybdeen-rhenium af als contactmateriaal – een materiaal dat zijn supergeleidende eigenschappen behoudt, zelfs in de aanwezigheid van sterke magnetische velden.
Werkend onder een beschermende stikstofatmosfeer in een handschoenenkastje, stapelen de onderzoekers 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.
Mehdi Ramezani et al, Supergeleidende contacten met een monolaagse halfgeleider, Nano-letters (2021). DOI: 10.1021/acs.nanolet.1c00615
Nano-letters
Geleverd door Swiss Nanoscience Institute, Universiteit van Basel