Ett kvantmekaniskt transportfenomen demonstrerades för första gången i syntetiska, atomärt tunt skiktat material vid rumstemperatur kan leda till nya nanoelektroniska kretsar och enheter, enligt forskare vid Penn State och tre andra amerikanska och internationella universitet.

Kvanttransporteffekten, kallas negativ differentialresistans (NDR), observerades när en spänning applicerades på strukturer gjorda av enatomtjocka skikt av flera skiktade material kända som van der Waals-material. De tredelade strukturerna består av en bas av grafen följt av atomlager av antingen molybdendisulfid (MoS2), molybdendiselenid (MoSe2), eller volframdiselenid (WSe2).

NDR är ett fenomen där vågnaturen hos elektroner tillåter dem att tunnla genom vilket material som helst med varierande motstånd. Potentialen hos NDR ligger i elektroniska lågspänningskretsar som skulle kunna drivas med hög frekvens.

"Teorin antyder att stapling av tvådimensionella lager av olika material ovanpå varandra kan leda till nya material med nya fenomen, sa Joshua Robinson, en Penn State biträdande professor i materialvetenskap och teknik vars student, Yu-Chuan Lin, är första författare på en tidning som visas online idag, 19 juni, i journalen Naturkommunikation . Uppsatsen har titeln "Atomiskt tunna resonanstunneldioder byggda av syntetiska van der Waals heterostrukturer."

För att uppnå NDR i en resonant tunneldiod vid rumstemperatur krävs nästan perfekta gränssnitt, som är möjliga med hjälp av tekniker för direkt växt, i detta fall oxidförångning av molybdenoxid i närvaro av svavelånga för att göra MoS2-skiktet, och metallorganisk kemisk ångavsättning för att göra WSe2 och MoSe2.

"Det här är första gången dessa vertikala heterostrukturer har odlats så här, " sade Robinson. "Folk använder vanligtvis exfolierade material som de staplar, men det har varit extremt svårt att se detta fenomen med exfolierade lager, eftersom gränssnitten inte är rena. Med direkt tillväxt får vi orörda gränssnitt där vi ser detta fenomen varje gång."

Det som fångade Lin och Robinsons uppmärksamhet var en skarp topp och dal i deras elektriska mätningar där det normalt skulle vara en regelbunden lutning uppåt. Alla oväntade fenomen, om det är repeterbart, är av intresse, sa Robinson. För att förklara deras resultat, de konsulterade en expert på elektroniska enheter i nanoskala, Suman Datta, som berättade för dem att de såg en 2D-version av en resonans tunneldiod, en kvantmekanisk anordning som arbetar med låg effekt.

"Resonanstunneldioder är viktiga kretskomponenter, sa Datta, en medförfattare på tidningen och Penn State professor i elektroteknik. "Resonant tunneldioder med NDR kan användas för att bygga högfrekventa oscillatorer. Vad detta betyder är att vi har byggt världens tunnaste resonans tunneldiod, och den fungerar vid rumstemperatur."

Medförfattare Robert Wallace från University of Texas i Dallas sa att detta samarbetsarbete representerar en viktig prestation i förverkligandet av användbara 2D-integrerade kretsar.

"Förmågan att observera resonansbeteendet vid rumstemperatur med syntetiserade 2D-material snarare än exfolierade, staplade flingor är spännande eftersom det pekar mot möjligheterna för skalbara anordningstillverkningsmetoder som är mer kompatibla med industriella intressen. Utmaningen vi nu måste ta itu med inkluderar att förbättra det odlade 2D-materialet ytterligare och få bättre prestanda för framtida enhetsapplikationer, " sa Wallace.

UT-Dallas medförfattare tillhandahöll den detaljerade karakteriseringen av atomupplösningsmaterial för de resonanta tunneldioderna som upptäcktes i Penn State.

Datta tillskriver sin postdoktorala forskare Ram Krishna Ghosh en teoretisk förståelse av elektrontransporten i de 2D-skiktade materialen. vars beräkningar visar nära överensstämmelse med försöksresultaten. Datta varnade för att den nya resonanstunneldioden bara är ett element i en krets och nästa steg kommer att kräva att de andra kretselementen byggs och integreras, som transistorer, i 2D.

"Ta hem meddelandet, " han sa, "är att detta ger oss en guldklimp som vi som enhets- och kretsmänniskor kan börja leka med och bygga användbara kretsar för 2D-elektronik."