Sia negli smartphone, televisori o tecnologia edilizia, i semiconduttori svolgono un ruolo centrale nell'elettronica e quindi nella nostra vita quotidiana. A differenza dei metalli, è possibile regolare la loro conducibilità elettrica applicando una tensione e quindi accendere e spegnere il flusso di corrente.

In vista di future applicazioni in elettronica e tecnologia quantistica, i ricercatori si stanno concentrando sullo sviluppo di nuovi componenti costituiti da un singolo strato (monostrato) di un materiale semiconduttore. Alcuni materiali naturali con proprietà semiconduttive presentano monostrati di questo tipo, impilati per formare un cristallo tridimensionale. In laboratorio, i ricercatori possono separare questi strati, che non sono più spessi di una singola molecola, e usarli per costruire componenti elettronici.

Nuove proprietà e fenomeni

Questi semiconduttori ultrasottili promettono di fornire caratteristiche uniche che altrimenti sarebbero molto difficili da controllare, come l'uso di campi elettrici per influenzare i momenti magnetici degli elettroni. Inoltre, In questi monostrati semiconduttori si verificano complessi fenomeni di meccanica quantistica che possono avere applicazioni nella tecnologia quantistica.

Scienziati di tutto il mondo stanno studiando come questi sottili semiconduttori possono essere impilati per formare nuovi materiali sintetici, note come eterostrutture di van der Waals. Però, fino ad ora, non sono riusciti a combinare un tale monostrato con contatti superconduttori per approfondire le proprietà e le peculiarità dei nuovi materiali.

Contatti superconduttori

Un team di fisici, guidato dal Dr. Andreas Baumgartner nel gruppo di ricerca del Professor Christian Schönenberger presso lo Swiss Nanoscience Institute e il Dipartimento di Fisica dell'Università di Basilea, ha ora dotato per la prima volta un monostrato di bisolfuro di molibdeno semiconduttore con contatti superconduttori.

Il motivo per cui questa combinazione di semiconduttore e superconduttore è così interessante è che gli esperti si aspettano che componenti di questo tipo mostrino nuove proprietà e fenomeni fisici. "In un superconduttore, gli elettroni si dispongono in coppie, come compagni di ballo, con strane e meravigliose conseguenze, come il flusso di corrente elettrica senza resistenza, " spiega Baumgartner, il responsabile del progetto dello studio. "Nel semiconduttore disolfuro di molibdeno, d'altra parte, gli elettroni eseguono una danza completamente diversa, una strana routine solista che incorpora anche i loro momenti magnetici. Ora vorremmo scoprire su quali danze nuove ed esotiche si accordano gli elettroni se combiniamo questi materiali".

Adatto per l'uso come piattaforma

Le misurazioni elettriche alle basse temperature richieste per la superconduttività - appena sopra lo zero assoluto (-273,15 gradi Celsius) - mostrano chiaramente gli effetti causati dal superconduttore; Per esempio, a certe energie, i singoli elettroni non sono più ammessi. Inoltre, i ricercatori hanno trovato indicazioni di un forte accoppiamento tra lo strato semiconduttore e il superconduttore.

"L'accoppiamento forte è un elemento chiave nei nuovi ed eccitanti fenomeni fisici che ci aspettiamo di vedere in tali eterostrutture di van der Waals, ma non sono mai stato in grado di dimostrare, "dice Mehdi Ramezani, autore principale dello studio.

"E, Certo, speriamo sempre in nuove applicazioni in elettronica e tecnologia quantistica, " dice Baumgartner. "In linea di principio, i contatti verticali che abbiamo sviluppato per gli strati di semiconduttori possono essere applicati a un gran numero di semiconduttori. Le nostre misurazioni mostrano che questi componenti semiconduttori ibridi monostrato sono effettivamente possibili, forse anche con altri, materiali di contatto più esotici che aprirebbero la strada a ulteriori approfondimenti, " Aggiunge.

Processo di fabbricazione elaborato

La fabbricazione del nuovo componente in un tipo di sandwich realizzato con materiali diversi richiede un gran numero di passaggi diversi. In ogni passo, è importante evitare contaminazioni, in quanto compromettono gravemente il trasporto di cariche elettriche.

Per proteggere il semiconduttore, i ricercatori confezionano un monostrato di bisolfuro di molibdeno tra due sottili strati di nitruro di boro, attraverso il quale hanno precedentemente inciso verticalmente i contatti utilizzando la litografia a fascio di elettroni e l'incisione ionica. Quindi depositano un sottile strato di molibdeno renio come materiale di contatto, un materiale che mantiene le sue proprietà superconduttive anche in presenza di forti campi magnetici.

Lavorando in atmosfera protettiva di azoto in un vano portaoggetti, i ricercatori impilano lo strato di nitruro di boro sullo strato di disolfuro di molibdeno e combinano la parte inferiore con un ulteriore strato di nitruro di boro e uno strato di grafene per il controllo elettrico. I ricercatori hanno quindi posizionato questa elaborata eterostruttura di van der Waals sopra un wafer di silicio/biossido di silicio.