Oavsett om det gäller smartphones, TV-apparater eller byggnadsteknik, halvledare spelar en central roll inom elektronik och därmed i vår vardag. I motsats till metaller, det är möjligt att justera deras elektriska ledningsförmåga genom att applicera en spänning och därmed slå på och av strömflödet.

Med tanke på framtida tillämpningar inom elektronik och kvantteknik, forskare fokuserar på utvecklingen av nya komponenter som består av ett enda lager (monolager) av ett halvledande material. Vissa naturligt förekommande material med halvledande egenskaper har monolager av detta slag, staplade för att bilda en tredimensionell kristall. I laboratoriet, forskare kan separera dessa lager – som inte är tjockare än en enda molekyl – och använda dem för att bygga elektroniska komponenter.

Nya egenskaper och fenomen

Dessa ultratunna halvledare lovar att leverera unika egenskaper som annars är mycket svåra att kontrollera, såsom användningen av elektriska fält för att påverka elektronernas magnetiska moment. Dessutom, komplexa kvantmekaniska fenomen äger rum i dessa halvledande monolager som kan ha tillämpningar inom kvantteknologi.

Forskare över hela världen undersöker hur dessa tunna halvledare kan staplas för att bilda nya syntetiska material, känd som van der Waals heterostrukturer. Dock, tills nu, de har inte lyckats kombinera ett sådant monolager med supraledande kontakter för att gräva djupare i de nya materialens egenskaper och egenheter.

Supraledande kontakter

Ett team av fysiker, ledd av Dr. Andreas Baumgartner i forskargruppen för professor Christian Schönenberger vid Swiss Nanoscience Institute och Institutionen för fysik vid universitetet i Basel, har nu för första gången försett ett monolager av halvledaren molybdendisulfid med supraledande kontakter.

Anledningen till att denna kombination av halvledare och supraledare är så intressant är att experterna förväntar sig att komponenter av detta slag ska uppvisa nya egenskaper och fysikaliska fenomen. "I en supraledare, elektronerna ordnar sig i par, som partners i en dans – med konstiga och underbara konsekvenser, såsom flödet av den elektriska strömmen utan motstånd, " förklarar Baumgartner, projektledaren för studien. "I halvledaren molybdendisulfid, å andra sidan, elektronerna utför en helt annan dans, en märklig soloarutin som också innehåller deras magnetiska ögonblick. Nu skulle vi vilja ta reda på vilka nya och exotiska danser elektronerna kommer överens om om vi kombinerar dessa material."

Lämplig för användning som plattform

De elektriska mätningarna vid de låga temperaturer som krävs för supraledning – strax över absoluta nollpunkten (-273,15 grader Celsius) – visar tydligt effekterna som orsakas av supraledaren; till exempel, vid vissa energier, enstaka elektroner är inte längre tillåtna. Dessutom, forskarna hittade tecken på en stark koppling mellan halvledarskiktet och supraledaren.

"Stark koppling är ett nyckelelement i de nya och spännande fysiska fenomen som vi förväntar oss att se i sådana van der Waals heterostrukturer, men kunde aldrig demonstrera, " säger Mehdi Ramezani, huvudförfattare till studien.

"Och, självklart, vi hoppas alltid på nya tillämpningar inom elektronik och kvantteknik, " säger Baumgartner. "I princip, de vertikala kontakter vi har utvecklat för halvledarskikten kan appliceras på ett stort antal halvledare. Våra mätningar visar att dessa hybrid-enkelskiktshalvledarkomponenter verkligen är möjliga – kanske till och med med andra, mer exotiska kontaktmaterial som skulle bana väg för ytterligare insikter, " han lägger till.

Utvecklad tillverkningsprocess

Tillverkningen av den nya komponenten i en typ av sandwich gjord av olika material kräver ett stort antal olika steg. I varje steg, det är viktigt att undvika föroreningar, eftersom de allvarligt försämrar transporten av elektriska laddningar.

För att skydda halvledaren, forskarna packar ett monolager av molybdendisulfid mellan två tunna lager bornitrid, genom vilken de tidigare har etsat kontakterna vertikalt med hjälp av elektronstrålelitografi och jonetsning. De avsätter sedan ett tunt lager av molybden rhenium som ett kontaktmaterial - ett material som behåller sina supraledande egenskaper även i närvaro av starka magnetfält.

Arbeta under en skyddande kväveatmosfär i ett handskfack, forskarna staplar bornitridlagret på molybdendisulfidlagret och kombinerar undersidan med ytterligare ett lager bornitrid samt ett lager grafen för elektrisk kontroll. Forskarna placerar sedan denna utarbetade van der Waals-heterostruktur ovanpå en kisel/kiseldioxidskiva.