Испытания диода толщиной несколько атомов продемонстрировали неожиданный квантовый эффект

Явление квантово-механического переноса впервые было обнаружено в синтетическом слоистом материале толщиной несколько атомов при комнатной температуре, что может привести к созданию новых наноэлектронных схем и приборов — сообщают исследователи из Пенсильванского университета и трех других американских и международных университетов.

Эффект квантового переноса, называемый отрицательным дифференциальным сопротивлением (NDR), был обнаружен при приложении напряжения к структурам, сформированным из слоев нескольких материалов толщиной в один атом. Эти материалы известны как материалы Ван дер Вальса. Трехэлементные структуры состоят из графеновой основы, на которую наложены атомные слои из дисульфида молибдена (MoS2), диселенида молибдена (MoSe2) или диселенида вольфрама (WSe2).

NDR — явление, суть которого состоит в том, что волновая природа электронов дает им возможность туннелировать через материал с изменяющимся сопротивлением. Потенциалом NDR является возможность создания низковольтных высокочастотных электронных схем.

Теория дает основания предполагать, что нанесение двух двухмерных слоев различных материалов на поверхность третьего материала может привести к созданию новых материалов с новыми свойствами. Джошуа Робинсон (Joshua Robinson), старший преподаватель университета штата Пенсильвания, специалист в области материаловедения и техники, вместе со своим студентом Ю-Чуан Лином (Yu-Chuan Lin) опубликовал посвященную этой теме статью, появившуюся онлайн 19 июня в журнале Nature Communications. Статья называется «Резонансные туннельные диоды атомарной толщины на основе синтетических гетероструктур Ван дер Ваальса».

Реализация NDR в резонансном туннельном диоде при комнатной температуре требует почти идеальных интерфейсов (контактирующих поверхностей), которые могут быть созданы технологией прямого выращивания. В этой ситуации испарение оксида молибдена в присутствии паров серы используется для изготовления слоя MoS2, а для получения слоев WSe2 и MoSe2 применяется осаждение металл-органических слоев из парообразного состояния.

Лин и Робинсон обратили внимание на то, что при измерении электрических характеристик там, где в норме должен быть равномерный спад, наблюдался острый пик и провал. Любое неожиданное явление, если оно воспроизводимо, представляет определенный интерес. Для того чтобы объяснить полученные результаты, они проконсультировались у эксперта в области наноразмерной электроники Сумана Датта (Suman Datta), который сказал, что они исследовали двухмерную версию резонансного туннельного диода, представляющего собой квантово-механический прибор, работающий при низкой мощности.

По мнению эксперта, резонансные туннельные диоды являются важными компонентами электрических схем. Резонансные туннельные диоды, обладающие NDR, могут быть использованы для создания высокочастотных генераторов. Результаты работы означают, что учеными создан самый маленький в мире резонансный туннельный диод и он работает при комнатной температуре.

Соавтор Роберт Уоллес из университета штата Техас в Далласе говорит, что эта совместная работа отражает важное достижение на пути создания практических двухмерных интегральных схем.
Соавторы из техасского университета обеспечили возможность детального изучения материалов с разрешением на атомарном уровне при исследовании характеристик резонансных туннельных диодов, открытых в Пенсильванском университете.

Датта передал теоретическое обоснование электронного транспорта в двухслойных двухмерных (2D) слоистых материалах своему докторанту Ram Krishna Gosh (Рам Кришна Гош), вычисления которого затем подтвердились результатами эксперимента. Датта озабочен тем, что новый резонансный туннельный диод является единственным элементом в схеме и на следующем этапе будет необходимо создать и интегрировать другие двухмерные элементы схемы, такие как транзисторы. Он говорит, что в результате создан крошечный элемент, с которым создатели электронных приборов и схем могут начать работать для того, чтобы построить практические схемы для двухмерной электроники.

В работе также принимали участие представители университета штата Пенсильвания (Sarah Eichfield), университета города Даллас (Rafik Addou, Ning Lu, Hui Zhu, Xin Peng, Moon Kim), Института атомных и молекулярных наук Тайваня (Ming-Yang Li) и Университета науки и технологии Саудовской Аравии (King Abdullah). Работа была выполнена совместно с Центром двухмерных и слоистых материалов (2DLM) университета штата Пенсильвания при поддержке Корпорации по исследованию полупроводников и программы DARPA (через Центр технологии низкоэнергетических систем). Исследования в университете Далласа были также поддержаны юго-западной Академией наноэлектроники при финансовой помощи Инициативы по исследованиям в области наноэлектроники и NIST (Национальный институт стандартов и технологий США).