Curve corrente-tensione di giunzione singola (verde) solido di van der Waals (no NDR) e multigiunzione (rosso, arancione) solidi di van der Waals (NDR). L'impilamento e la scelta dei materiali determinano la posizione e la larghezza del picco. Attestazione:Yuchuan Lin
Un fenomeno di trasporto quantomeccanico dimostrato per la prima volta in materiali sintetici, materiale stratificato atomicamente sottile a temperatura ambiente potrebbe portare a nuovi circuiti e dispositivi nanoelettronici, secondo i ricercatori della Penn State e di altre tre università statunitensi e internazionali.
L'effetto di trasporto quantistico, chiamata resistenza differenziale negativa (NDR), è stato osservato quando è stata applicata una tensione a strutture costituite da strati dello spessore di un atomo di diversi materiali stratificati noti come materiali di van der Waals. Le strutture in tre parti sono costituite da una base di grafene seguita da strati atomici di bisolfuro di molibdeno (MoS2), diseleniuro di molibdeno (MoSe2), o diseleniuro di tungsteno (WSe2).
L'NDR è un fenomeno in cui la natura ondulatoria degli elettroni consente loro di attraversare qualsiasi materiale con resistenza variabile. Il potenziale dell'NDR risiede nei circuiti elettronici a bassa tensione che potrebbero funzionare ad alta frequenza.
"La teoria suggerisce che impilare strati bidimensionali di materiali diversi uno sopra l'altro può portare a nuovi materiali con nuovi fenomeni, " disse Joshua Robinson, un assistente professore di scienza e ingegneria dei materiali della Penn State il cui studente, Yu Chuan Lin, è il primo autore di un articolo apparso online oggi, 19 giugno nel diario Comunicazioni sulla natura . Il documento si intitola "Diodi a tunnel risonanti atomicamente sottili costruiti con eterostrutture sintetiche di van der Waals".
Il raggiungimento dell'NDR in un diodo tunnel risonante a temperatura ambiente richiede interfacce quasi perfette, che sono possibili utilizzando tecniche di crescita diretta, in questo caso la vaporizzazione dell'ossido di ossido di molibdeno in presenza di vapore di zolfo per realizzare lo strato di MoS2, e la deposizione di vapore chimico organico metallico per produrre WSe2 e MoSe2.
Struttura atomica multistrato di solidi di van der Waals che rappresenta la stratificazione con un substrato di grafene. Credito:UT Dallas/Penn State
"Questa è la prima volta che queste eterostrutture verticali sono state cresciute in questo modo, " ha detto Robinson. "Le persone in genere usano materiali esfoliati che impilano, ma è stato estremamente difficile vedere questo fenomeno con strati esfoliati, perché le interfacce non sono pulite. Con la crescita diretta otteniamo interfacce incontaminate in cui vediamo questo fenomeno ogni volta".
Ciò che attirò l'attenzione di Lin e Robinson fu un picco acuto e una valle nelle loro misurazioni elettriche dove normalmente ci sarebbe stata una pendenza regolare verso l'alto. Qualsiasi fenomeno inaspettato, se è ripetibile, è di interesse, disse Robinson. Per spiegare i loro risultati, hanno consultato un esperto di dispositivi elettronici su scala nanometrica, Suman Datta, che ha detto loro che stavano vedendo una versione 2D di un diodo tunnel risonante, un dispositivo meccanico quantistico che funziona a bassa potenza.
"I diodi a tunnel risonanti sono componenti di circuiti importanti, " disse Datta, un coautore dell'articolo e professore di ingegneria elettrica alla Penn State. "I diodi a effetto tunnel risonante con NDR possono essere utilizzati per costruire oscillatori ad alta frequenza. Ciò significa che abbiamo costruito il diodo a effetto tunnel più sottile al mondo, e funziona a temperatura ambiente."
Il coautore Robert Wallace dell'Università del Texas a Dallas ha affermato che questo lavoro collaborativo rappresenta un importante traguardo nella realizzazione di utili circuiti integrati 2D.
"La capacità di osservare il comportamento risonante a temperatura ambiente con materiali 2D sintetizzati anziché esfoliati, stacked flakes è entusiasmante in quanto indica le possibilità di metodi di fabbricazione di dispositivi scalabili che sono più compatibili con gli interessi industriali. La sfida che ora dobbiamo affrontare include migliorare ulteriormente i materiali 2D cresciuti e ottenere prestazioni migliori per le future applicazioni dei dispositivi, " ha detto Wallace.
I coautori di UT-Dallas hanno fornito la caratterizzazione dettagliata dei materiali a risoluzione atomica per i diodi tunnel risonanti scoperti a Penn State.
Datta attribuisce una comprensione teorica del trasporto di elettroni nei materiali stratificati 2D al suo ricercatore post-dottorato Ram Krishna Ghosh, i cui calcoli mostrano una stretta corrispondenza con i risultati sperimentali. Datta ha avvertito che il nuovo diodo tunnel risonante è solo un elemento in un circuito e il passo successivo richiederà la costruzione e l'integrazione degli altri elementi del circuito, come i transistor, in 2D.
"Il messaggio da portare a casa, " Egli ha detto, "è che questo ci dà una pepita che noi come dispositivi e persone di circuiti possiamo iniziare a giocare e costruire circuiti utili per l'elettronica 2D."
