Впервые исследователи Базельского университета оснастили ультратонкий полупроводник сверхпроводящими контактами. Эти чрезвычайно тонкие материалы с новыми электронными и оптическими свойствами могут проложить путь для ранее невообразимых приложений. Ожидается, что в сочетании со сверхпроводниками они вызовут новые квантовые явления и найдут применение в квантовой технологии.

Будь то смартфоны, телевизоры или строительные технологии, полупроводники играют центральную роль в электронике и, следовательно, в нашей повседневной жизни. В отличие от металлов, их электропроводность можно регулировать, подавая напряжение, и, следовательно, включать и выключать ток.

С целью будущих приложений в электронике и квантовой технологии исследователи сосредоточивают внимание на разработке новых компонентов, которые состоят из одного слоя (монослоя) полупроводникового материала. Некоторые встречающиеся в природе материалы с полупроводниковыми свойствами имеют монослои такого типа, уложенные друг на друга, образуя трехмерный кристалл. В лаборатории исследователи могут разделить эти слои, которые не толще одной молекулы, и использовать их для создания электронных компонентов.

Новые свойства и явления

Эти ультратонкие полупроводники обещают обеспечить уникальные характеристики, которые иначе очень трудно контролировать, например, использование электрических полей для влияния на магнитные моменты электронов. Кроме того, в этих полупроводниковых монослоях происходят сложные квантово-механические явления, которые могут найти применение в квантовой технологии.

Ученые всего мира исследуют, как эти тонкие полупроводники могут быть сложены друг с другом, чтобы сформировать новые синтетические материалы, известные как гетероструктуры Ван-дер-Ваальса. Однако до сих пор не удалось совместить такой монослой со сверхпроводящими контактами, чтобы глубже разобраться в свойствах и особенностях новых материалов.

Сверхпроводящие контакты

Группа физиков во главе с доктором Андреасом Баумгартнером в исследовательской группе профессора Кристиана Шененбергера из Швейцарского института нанонаук и на факультете физики Базельского университета установила монослой полупроводникового дисульфида молибдена сверхпроводящими контактами.

Причина, по которой такая комбинация полупроводника и сверхпроводника так интересна, заключается в том, что эксперты ожидают, что компоненты такого типа проявят новые свойства и физические явления.

«В сверхпроводнике электроны объединяются в пары, как партнеры в танце — со странными и чудесными последствиями, такими как протекание электрического тока без сопротивления», — объясняет Баумгартнер, руководитель проекта исследования. «В полупроводниковом дисульфиде молибдена, с другой стороны, электроны исполняют совершенно другой танец, странную сольную программу, которая также включает в себя их магнитные моменты. эти материалы».

Подходит для использования в качестве платформы

Электрические измерения при низких температурах, необходимых для сверхпроводимости — чуть выше абсолютного нуля (-273,15 C) — ясно показывают эффекты, вызванные сверхпроводником; например, при определенных энергиях одиночные электроны больше не допускаются. Более того, исследователи обнаружили признаки сильной связи между слоем полупроводника и сверхпроводником.

«Сильная связь — ключевой элемент в новых захватывающих физических явлениях, которые мы ожидаем увидеть в таких гетероструктурах Ван-дер-Ваальса, но никогда не смогли продемонстрировать», — говорит Мехди Рамезани, ведущий автор исследования.
«И, конечно же, мы всегда надеемся на новые приложения в электронике и квантовых технологиях», — говорит Баумгартнер. «В принципе, вертикальные контакты, которые мы разработали для полупроводниковых слоев, могут быть применены к большому количеству полупроводников. Наши измерения показывают, что эти гибридные однослойные полупроводниковые компоненты действительно возможны — возможно, даже с другими, более экзотическими контактными материалами, которые могли бы прокладывать путь к дальнейшему пониманию», — добавляет он.

Продуманный процесс изготовления

Изготовление нового компонента в виде сэндвича из различных материалов требует большого количества различных этапов. На каждом этапе важно избегать загрязнений, поскольку они серьезно ухудшают перенос электрических зарядов.

Чтобы защитить полупроводник, исследователи помещают монослой дисульфида молибдена между двумя тонкими слоями нитрида бора, через которые они предварительно протравили контакты по вертикали с помощью электронно-лучевой литографии и ионного травления. Затем они наносят тонкий слой молибдена-рения в качестве контактного материала — материала, который сохраняет свои сверхпроводящие свойства даже в присутствии сильных магнитных полей.

Работая в защитной атмосфере азота в перчаточном ящике, исследователи накладывают слой нитрида бора на слой дисульфида молибдена и объединяют нижнюю сторону с дополнительным слоем нитрида бора, а также слоем графена для электрического контроля. Затем исследователи помещают эту сложную гетероструктуру Ван-дер-Ваальса поверх пластины кремний / диоксид кремния.